UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

SIMULADOR DE CALDERAS

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECTRICA CON ESPECIALIDAD EN CONTROL

P R E S E N T A

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MONTERREY, N. L .

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DICIEMBRE DE 1985

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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON FACULTAD DE INGENIERIA M E C A N I C A Y

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SIMULADOR DE CALDER S DIRECCION GENERAL DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

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ELECTRICA CON ESPECIALIDAD EN CONTROL

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Segím el p r o p ó s i t o de la s i m u l a c i ó n las simulaciones pueden plantearse con fines de entrenamiento, i n v e s t i g a c i ón, e d u c a c i ó n o di sefio• En general "la s i m u l a c i ó n es la experimentación con modelos* La s i m u l a c i ó n p a r a la i n v e s t i g a c i ó n , el disefio, la e d u c a c i ó n , el e n t r e n a m i e n t o y p r u e b a s de s i s t e m a s • • • • es d r a m á t i c a m e n t e e f e c t i v a en costo"• Las s i m u l a c i o n e s se r e s u e l v e n " p r á c t i c a m e n t e s i e m p r e con la a y u d a de una c o m p u t a d o r a e l e c t r ó n i c a "• En este escrito se d e s c r i b e un s i m u l a d o r de calderas r e s u e l t o en una c o m p u t a d o r a digital« Se p r e t e n d e obtener un s i stema de mínimo costo para mostrar a clientes p o t e n c i a l e s los s e r v i c i o s que la F a c u l t a d p u e d e p r e s t a r en el disefío e implemeritación de s i m u lado res para e n t r e n a m i ento• Al plantearse el problema de una simulación se o b s e r v a r o n como o b s t á c u l o s i m p l í c i t o s ! -el desarrollo en tiempo real de los m o d e l o s de los e q u i p o s a simular* - l a p r o g r a m a c i ó n de i n t e r r u p c i o n e s que el 'operador' de los equipos s i m u l a d o s debe generar a fin de establecerc o m u n i c a c i ó n e f e c t i v a con el m o d e l o programado« - l a p r e s e n t a c i ó n de la información que t r a d i t i o n a l m e n t e se da a través de control a d o r e s e indicadores en la i n s t r u m e n t a c i ó n de p l a n t a s o equiposPara concretar el p r o y e c t o de un s i m u l a d o r , se eligió una c a l d e r a g e n e r a d o r a de v a p o r de las llamadas calderas paquete por ser un equipo c o m p l e t o con un grado de d i f i c u l t a d a d e c u a d o a una tesis« Además se escogió realizarlo en una computadora p e r s o n a l p a r a e n f a t i z a r el bajo costo del equipo n e c e s a r i o y por la disponibilidad inmediata y continua de este equipo• Para que un s i m u l a d o r como el que hasta aqui se ha d e f i n i d o sea factible se requieres — r e d u c i r el tiempo de ciclo de cálculo del modelo a un valor m e n o r al 'critico'Este valor 'critico' p u e d e serdeterminado m e d i a n t e la e j e c u c i ó n del m o d e l o con tiempos de ciclo v a r i a b l e s . Para una gama de t i e m p o s de ciclo, los resultados obten idos, además de serlógicos son relativamente invariables; pero llegados a un cierto tiempo de ciclo t., cualquier i n c r e m e n t o p a r a el p e r i o d o de uri ciclo i m p l i c a r á r e s u l t a d o s d i f e r e n t e s . Este v a l o r t es el m á x i m o tiempo de ciclo que p o d e m o s p e r m i t i r n o s en el cálculo del m o d e l o . -programar

el m o d e l o

de s i m u l a c i ó n

de modo que

cuente

cori i n t e r r u p c i o n e s del o p e r a d o r y d e s p l i e g u e de variables como los equipos reales a fin de contar con una p r e s e n t a c i ó n que se a s e m e j e a la que e x i s t e en s i t u a c i o n e s convencionalesDefinido lo a n t e r i o r , el m o d e l o de la caldera p a q u e t e debía correr en un tiempo de ciclo e s t i m a d o en menos de variables nueve segundosLa p r e s e n t a c ión de las controladas, manipuladas, señales de control e i n d i c a c i o n e s se eligí!» de modo que f u e r a s i m i l a r a la que ti enen las c o m p u t a d o r a s de control de p r o c e s o s como son TDC-2000 de H o n e y w e l 1, Ceritum de YEW, Di ógenes de R o s e m o u n t etc. Esto s i g n i f i c a que el d e s p l i e g u e de estas variables se hace en el m o n i t o r de la mi ero c o m p u t a d o r a Implica a d e m á s la p r e s e n t a c i ó n tanto de v a l o r e s digitales como de g r á f i c a s de b a r r a s p a r a los controladores. El o p e r a d o r debe contar a d e m á s con f a c i l i d a d e s p a r a modificarlos parámetros r e l a t i v o s a la g a n a n c i a y las constantes para afectar- la integración y la d e r i v a c i ó n del error y desarrollarla sefíal de controlLos c o n t r o l a d o r e s deben p o d e r trabajar tanto en f o r m a a u t o m á t i c a como m a n u a l segdn lo d i s p o n g a el o p e r a d o r . El simulador se d e s a r r o l l ó eri BasicEsto significó una 'facilidad' relativa si se toma en cuenta que p r o g r a m a r en B a s i c es mas simple que p r o g r a m a r en lenguaje desarrol lado er» de máquina. Si el p r o g r a m a se h u b i e r a lenguaje de máquina los t i e m p o s de ciclo se habrían reducido pero el desarrollo de la programación se habría dificultado. En d e f i n i t i v a al programar en B a s i c los p r o b l e m a s del modelaje se enfatizan mientras que las dificultades propias de la p r o g r a m a c i ó n se m a n t i e n e n en un margen 'adecuado'. Básicamente la tesis se ha e s c r i t o como si fuera el manual de o p e r a c i ó n del simulador p a r a e n t r e n a m i e n t o . Este m a n u a l está e n f o c a d o al instructor»

1-2 A l c a n c e . - Se sirula una c a l d e r a g e n e r a d o r a de vaporeo ií capacidad nominal de 50, Kgs/Hr de vapor sobre cal entado de 400 grados Centy 45 Kg/cm2La s i m u l a c i ó n incluye m o d e l o s m a t e m á t i c o s p a r a l_a. p l a n t a , los instrumentos. asi como algoritmos para generar g r á f i c a s e. iridi cador-es di qi tal es dinámi eos 1.2.1 O b j e t i v o s - - En esta simulación, la caldera paquete es c o n s i d e r a d a desde el p u n t o de v i s t a de su operación, es decir e n f a t i z a n d o el c o m p o r t a m i e n t o de los lazos de control que m a n i p u l a el operadorSe da especial importancia a la i n d i c a c i ó n de v a r i a b l e s que p u e d e n servir de r e t r o a l i m e n t a c i ó n en las decisiones que debe e f e c t u a r el o p e r a d o r . El simulador está hecho de m o d o que u n a p e r s o n a p u e d a fungir- como e n t r e n a d o r . El e n t r e n a d o r p o d r á p l a n t e a r diferentes c o m p o r t a m i e n t o s en la p l a n t a medi ante la m o d i f i c a c i ó n de sus par á m e t r o s s P a r a las v á 1 v u l a s de control el entrenadorpuede simularcondiciones

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a n o r m a l e s a f e c t a n d o las b a n d e r a s c o r r e s p o n d i e n t e s « Para evaluar la participación del operador el e n t r e n a d o r puede j u z g a r las g r á f i c a s p e r t i n e n t e s « Además, puesto que los parámetros de los contro 1 adores pueden ser m o d i f i c a d o s , el s i m u l a d o r es una h e r a m i e n t a de a p o y o en los cursos de control de pro cesos• También, puesto que algunos parámetros de los elementos de la c a l d e r a , como los coeficientes de transferencia t é r m i c a y las áreas de los p a q u e t e s de tubos de la caldera, el flujo de gas combustible, etc, son v a l o r e s m o d i f i c a b 1 es, e n t o n c e s , es p o s i b l e apreciar los efectos que pueden tener sobre el comportamiento del equipo. Esto ya es en si un objetivo que sin e m b a r g o no se c o n t e m p l a p a r a este simulador. Tómese en cuenta que un simulador para efectos de diseño de e q u i p o s está o b l i g a d o a ser m á s preciso aijn a costa de no correr como programa en tiempo real. En cambio un simulador para entrenamiento de o p e r a d o r e s , ob1 i gado a correr en tiempo real debe a m i n o r a r la carga de c á l c u l o s de un m o d e l o complejo para hacer r á p i d a su e j e c u c i ó n . 1-2-2 La P l a n t a « - M o s t r a d a en la f i g u r a No« 1, la p l a n t a consta de caldera y d e a e r a d o r . En la sección de convección la caldera tiene s e r p e n t i n e s g e n e r a d o r e s y sobre cal e n t a d o r e s de v a p o r . En la cámara de r a d i a c i ó n del tipo de 'paredes de a g u a ' se genera la mayor p a r t e del vapor-. Los q u e m a d o r e s son de gas natural« El flujo de g a s e s de combustión se d e s a l o j a m e d i a n t e el tiro natural de la chimenea« en El v a p o r generado se separa del líquido saturado el domo s u p e r i o r de la caldera y ya s o b r e c a l e n t a d o se e n t r e g a a los u s u a r i o s q u i e n e s e m p l e a n este vapor y lo condensan • El condensado es enviado porlos u s u a r i o s hacia el d e a e r a d o r . El deaerador debe m a n t e n e r un nivel mínimo para garantizar un s u m i n i s t r o a d e c u a d o a las bombas de agua« Además, a fin de deaer-ar e f i c i e n t e m e n t e el agua, ésta debe estar a una t e m p e r a t u r a c e r c a n a al punto de ebullición« 1«2«3 Los I n s t r u m e n t o s « - Los instrumentos que intervienen para el d e s a r r o l l o del control de la p l a n t a se m u e s t r a n en la f i g u r a No - 1. C o n t a m o s con m e d i d o r e s de flujo, n i v e l , p r e s i ó n y t e m p e r a t u r a « L o s controladores son de n i v e l , p r e s i ón y temperatura; todos ellos del tipo PIDLos f l u j o s r e g u l a d o s por v á l v u l a s de control son los de a g u a al domo, a g u a al deaerador-, gas a quemado res y vapor al deaerador« Las variables c o n t r o l a d a s son la p r e s i ó n y el n i v e l del domo y la t e m p e r a t u r a y n i v e l del deaerador« 1.2.4 Gráficas e Indicadores Digitales Dinámicos«Con respecto a las v a r i a b l e s c o n t r o l a d a s y sus p u n t o s de r e f e r e n c i a C ' s e t p o i n t s ' ) se m u e s t r a n en gráficas de modo similar al a c o s t u m b r a d o en los de barras,

e q u i p o s de control de p r o c e s o s por computadora- O t r a s variables son indicadas a través del despliegue numérico (digital) de sus v a l o r e s . Las g r á f i c a s y v a l o r e s d e s p l e g a d o s c o r r e s p o n d e n a v a l o r e s en tiempo real renovados d u r a n t e cada ciclo de cálculos del s i m u l a d o r (ver figura 2 en p á g i n a 12). Mediante 'mensajes® generados p o r el operador es posible modificar las características de los contro 1 a d o r e s • En ésto se emula lo r e s u e l t o en las e s t a c i o n e s de o p e r a d o r de las c o m p u t a d o r a s de control de p r o c e s o s (ver lista de m e n s a j e s en pAgiría 13). De las v a r i a b l e s r e n o v a d a s c í c l i c a m e n t e todas las i n d i c a c i o n e s g r á f i c a s y a l f a n u m é r i cas se p r e s e n t a n en la pantalla (llamada también monitor) de la mi ero c o m p u t a d o r a donde se d e s a r r o l l a la s i m u l a c i ó n . Para o b s e r v a r la h i s t o r i a del c o m p o r t a m i e n t o de las variables en el t i e m p o , se g r a b a ( c a d a 36 segundos aproximadamente) en disco un con j un t o de hasta 2"5 variables. Esta grabación es graf i cab1e fuera de línea. Esto permite analizar la operación para corregir e r r o r e s y establecer o p c i o n e s de operaciónSe in c 1 uyen tamb í en entre las i n d i c a c i o n e s sefial es y m e n s a j es p a r a alarma y bote r e s p e c t i v a m e n t e • Tanto la a l a r m a como el bote se p r o d u c e n por c o n d i c i o n e s alta p r e s i ó n de domo, o baja de las sefíales a c o n t r o l a r : nivel de d o m o , t e m p e r a t u r a de d e a e r a d o r y nivel de deaerador• En s í n t e s i s las c a r a c t e r í s t i c a s de la i n s t r u m e n t a c i ó n s i m u l a d a son: - c o n s t a de c o n t r o l a d o r e s e i n d i c a d o r e s digitales-las señales de los controladores y los i n d i c a d o r e s se d e s p l i e g a n en monitor tipo p a n t a l l a de rayos c a t ó d i c o s . -las indicaciones digitales y las gráficas de barras de los controladores son dinámicas o r e n o v a b l e s en tiempo real. -el operador puede modificar los p a r á m e t r o s de los controladores mediante mensajes o interrupciones con teclas p r o g r a m a b l e s • -se obtienen g r á f i c a s fuera de linea para las v a r i a b l e s p r e v i a m e n t e g r a b a d a s en d i s c o , -se tienen i n d i c a c i o n e s de a l a r m a preventiva y a l a r m a de bote-

2 « - O p e r a c i ó n del Simulador-« 2-1 G e n e r a l i d a d e s « - Se d e s c r i b e n en e s t o s párrafos las condiciones, r e q u e r i m i e n t o s y r e c o m e n d a c i o n e s par iniciar una s i m u l a c i ó n medi ante el progr ama s i m u í a d o r e x i s t e n t e . 2 • 1« 1 Conocimientos P r e v i o s . - Par-a utilizar eficientemente el s i m u l a d o r es recomendable tenerno c i ones de: -El d i a g r a m a de t u b e r ! as e i n s t r u m e n t a c i ó n . — L a o p e r a c i ó n de c o n t r o l a d o r e s PID« 2.1.2 Par-1 i c ip antes • - Al utilizar el simulador se c o n t e m p l a la p a r t i c i p a c i ó n des -El o p e r a d o r que t ratará de m a n t e n e r baj o contr o 1 a la caldera. -El instrumentista que a t r a v é s del a j u s t e de los controladores, las válvulas y los indicadores puede p a r t i c i p a r en la 'puesta a punto', *comisionamiento y arranque* o ' s i n t o n i z a c i ó n ' de los instrumentos» —El entrenador que planteará alternativas de funcionamiento de p l a n t a y c o n t r o l e s , evaluará la p a r t i c i p a c i ó n de o p e r a d o r e s e i n s t r u m e n t i s t a s y los orientará en el a p r e n d i z a j e requerido2«1«3 E q u i p o « — El p r o g r a m a ha sido elaborado par-a correr en una mi c r o c o m p u t a d o r a C'ommodore 128B equipada con discos (floppy di sk— C o m m o d o r e 80*50}, m o n i t o r (Zenith data s y s t e m s ) e i m p r e s o r a (Commodore 4 0 2 3 >. Cada equipo cuenta con cableado de e n e r g i z a c i ó n p a r a 120 V C A ater r-i zab 1 e « El a t e r r i z a j e es obligado« C a d a equipo cuenta también con un conector cableado para s e ñ a l e s de o hacia el t e c l a d o - m i c r o p r o c e s a d o r « mediante un El monitor o p a n t a l l a debe c o n e c t a r s e cable que aunque es m u í t i c o n d u c t o r de cinco hilos y blindaje, solo e m p l e a el hilo de color b l a n c o y su b l i n d a j e en el extremo que se conecta al monitor» En el extremo del teclado la e n t r a d a p a r a este cable vi ene se ' ña la da con la pal abra V I D E O y esta p r e p a r a d a para aceptar un c o n e c t o r con m u e s c a en la parte superior y cinco patas terminales en la parte inferi or « La impresor a y el gab inete de discos (floppy) se interconectan entre si y con el t e c l a d o m e d i a n t e un cable muíticonductor a través de puertos tipo IEEE 488« La comunicación aquí es en p a r a l e l o (daisy chain)• E s t o s cables deben ir c o n e c t a d o s de modo que del teclado se dirija un primer cable hacia el g a b m e t e de discos y el segundo cable se m o n t e sobre la conexión del p r i m e r o al gab inete de discos y se conecte p o r su otro extremo a la impresora« En el teclado la conexión aquí d e s c r i t a se hace a través del p u e r t o señalado con la p a l a b r a IEEE 488« En la i m p r e s o r a y discos solo hay un conector p o s i b l e para

el cable c o r r e s p o n d i e n t e . Una ves que se han c o n e c t a d o los cables de señales, pueden conectarse los de 120 V C A de energización. Solo hasta entonces deben accionarse los i n t e r r u p t o r e s p a r a e n e r g i z a r cada uno de los e q u i p o s . registrarse los En una secuencia típica deberán siguientes eventos: -al e n e r g i z a r s e el t e c l a d o y el monitora p a rece en el m o n i t o r el letrero * * * c o m m o d o r e b a s i c 128, v 4 . 0 * * * ready» -al energizar el gabinete de discos los indicadores ( L E D ' s ) del frente c e n t e l l a r á n dos ocasiones en color- rojo y d e s p u é s solo quedará e n c e n d i d o el i n d i c a d o r central superior con luz ver-de • —al e n e r g i z a r la i m p r e s o r a el m e c a n i s m o impresor se d e s p l a z a r á de i z q u i e r d a a d e r e c h a y v i c e v e r s a hasta quedar en el extremo izquierdo* El i n d i c a d o r del f r e n t e q u e d a r á i l u m i n a d o . 2*1.4 Como Iniciar una S i m u l a c i ó n . — El programa de simulación ha sido g r a b a d o en disco < ' d i s k e t t e ' de 5 1/2") cor. los n o m b r e s de T E S I S y CALDERA. Para iniciar una s i m u l a c i ó n se r e q u i e r e : -cablear y energizar los equipos segftri lo d e s c r i t o en el p á r r a f o 2 . 1 - 3 - c a r g a r en m e m o r i a central el p r o g r a m a g r a b a d o en disco. - i n i c i a r la corrida del p r o g r a m a s i m u l a d o r * Para cargar- el p r o g r a m a de disco a memoria se monta en la unidad 1 (. 'drive 1 ' ) el disco que contiene el p r o g i a m a El disco se introduce de modo que la e t i q u e t a quede h a c i a a r r i b a y del lado del operador- U n a vez i n t r o d u c i d o el d i s c o , la p u e r t e c i l l a c o r r e s p o n d i e n t e (.esto es la de la unidad 1) deberá ser cerrada mediante un movimiento h a c i a abajo* Hecho lo anterior se t e c l e a el comando s i g u i e n t e : dload

"tesis",di

Para enviar el c o m a n d o , después de teclearlo oprime la tecla de "RETURN"* Con esto se inicia s e c u e n c i a en la que : — a p a r e c e en la p a n t a l l a el l e t r e r o searching 1 o adir« g

for

1:

se una

tesis

—se ilumina el i n d i c a d o r inferior- izquierdo del g a b i n e t e de d i s c o s c o r r e s p o n d i e n t e a la unidad 1 (,'drive 1') y se escucha el sonido del m o v i m i e n t o del disco y la cabeza lectora.

-al concluir el cargado la p a n t a l l a el letrero

del p r o g r a m a a p a r e c e

en

ready• casi s i m u l t á n e a m e n t e se a p a g a el la unidad 1 de discos*

indicador- ( L E D )

de

F i n a l m e n t e para iniciar- una s i m u l a c i ó n es n e c e s a r i o ! — t e c l e a r el comando < R U N > seguido de la t e c l a de . -al aparecer el letrero "teclee un 1 para a r r a n q u e desde feltima c o n d i c i ó n , 0 p a r a a r r a n q u e en cero" deberá teclearse un 1 6 un O dependiendo que se desee o no p a r t i r de las c o n d i c i o n e s g r a b a d a s "ex p r o f e s o " de una c o r r i d a anterior. Además del 0 6 1 deberá teclearse (- "D u d -P e & tf ci c c ^ >n a¡ O "O d í-i • •í» -P Ö -I-Í IT. 8$ £ c t- C •o •H c & u o. ta d "3 •ri > LiU li) tf u tf •C O d i-4 d c fr--ic •P d c f &&o £ £ SJ O i- "C

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