Automatización de un equipo de impregnación De...

Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

Automatización de un equipo de impregnación De madera

Seminario de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero de Ejecución en Mecánica.

Profesor Guía: Sr. Julio Huenul Muñoz

Carlos Andrés Silva Espinoza Luis Felipe Velásquez Lozano

2014

Universidad del Bío-Bío. Sistema de Bibliotecas - Chile

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RESUMEN El presente Seminario de Titulo tiene como fin automatizar el funcionamiento y manejo de una planta de impregnado de madera para construcción, de la empresa Constructora y Obras Civiles Conumo Alto Ltda., ubicada en Carampangue, Arauco, Octava región, mediante el reemplazo de sus componentes manuales por componentes de accionamiento electrónico que serán controlados por un PLC. Por lo cual se realizara el estudio teórico de ingeniería e implementación de automatización. Para lograr este proyecto se han planteado las siguientes etapas de estudio:

Análisis del proceso de impregnación estableciendo procedimientos, insumos y características técnicas de este tratamiento de la madera.

Analizar la estructura y funcionamiento del sistema de impregnación identificando componentes, sus características técnicas y función.

Establecer la secuencia del trabajo de impregnación para definir los requerimientos del programa de control.

Desarrollar estudio instrumental, de equipamiento del sistema actual y de las variables a controlar en tipo y rango.

Diseñar el sistema de control definiendo instrumentación, lazos de control y programa de control eléctrico, hidráulico y químico del proceso.

Con estas etapas se pretende tener un mayor conocimiento del proceso de Impregnación, con el fin de conocer detalladamente todos los pasos que este proceso con lleva y así lograr una automatización eficiente, certera y que logre minimizar los costos de producción. Por otro lado, este estudio pretende que como mecánicos podamos lograr un mayor conocimiento del área de automatización, sabiendo que en la actualidad la gran mayoría de los procesos industriales se realizan de forma automática, por lo cual necesitamos día a día ir en una constante actualización de nuestros conocimientos sobre los adelantos industriales. Por lo anterior la empresa Constructora y Obras Civiles Conumo Alto Ltda., se ve en la necesidad de actualizar sus equipamientos para mejorar la calidad de sus productos y reducir costos, con este estudio se pretende ver las distintas variables y etapas a seguir para en el futuro lograr implementar esta automatización.


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GLOSARIO

Autoclave: recipiente contenedor de la madera a impregnar. Pared celular: Es un componente típico de las células eucarióticas vegetales. Entre las Embriofitas, las únicas células que no la tienen son los gametos masculinos y a veces los gametos femeninos. En las células vivas las paredes tienen un papel importante en actividades celulares tan importantes como absorción, transpiración, translocación, secreción y reacciones de reconocimiento, como en los casos de germinación de tubos polínicos y defensa contra bacterias u otros patógenos. Son persistentes y se preservan bien, por lo cual se pueden estudiar fácilmente en plantas secas y también en los fósiles. Inclusive en células muertas las paredes celulares son funcionales. Así, en los árboles, la mayor parte de la madera y la corteza está formada sólo de paredes celulares, ya que el protoplasto muere y degenera. En la corteza las paredes celulares contienen materiales que protegen las células subyacentes de la desecación. En la madera las paredes celulares son gruesas y rígidas y sirven como soporte mecánico de los órganos vegetales. Lumen: es el espacio interior de una estructura tubular, como en una arteria o intestino. Duramen: zonas interna llamada madera muerta, ya que no tiene actividad fisiológica. En muchas especies es de color más oscuro. Presenta sustancias químicas toxicas para los hongos e insectos que se alimentan de la madera. Es una zona poco permeable y menos contenidos. Albura: zona externa de color claro cuyas células contienen aguas y nutrientes. Esta zona de la madera en la mayoría de las especies es de fácil impregnación una vez que se ha alimentado el agua del interior de las células.

Médula: es el tejido blando que constituye el interior de algunos tallos y talos. Duraminización: formación total de célula leñosa a lo largo de años.


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INDICE GLOSARIO ................................................................................................................................ 2 Introducción ............................................................................................................................... 6 Objetivos .................................................................................................................................... 7

Objetivo General ................................................................................................................... 7

Objetivos Específicos ........................................................................................................... 7

Descripción de la empresa ...................................................................................................... 7 Descripción del problema ........................................................................................................ 9 CAPITULO 1 ............................................................................................................................ 10

1.1 Descripción y aplicación general del proceso de impregnación de madera ...... 10

1.1.1 Ingreso de madera: .............................................................................................. 10

1.1.2 Inundación: ............................................................................................................ 10

1.1.3 Presión: .................................................................................................................. 11

1.1.4 Trasvasije: .............................................................................................................. 11

1.1.5 Presión de vacío: .................................................................................................. 11

1.1.6 General: .................................................................................................................. 12

1.2 Madera ........................................................................................................................... 13

1.2.1 Estructura microscópica ...................................................................................... 13

1.2.2 Características Macroscópicas ........................................................................... 14

1.2.3 Durabilidad Natural ............................................................................................... 15

1.2.4 Contenido de Humedad ....................................................................................... 16

1.2.5 Absorción de líquido en un Proceso de Impregnación. .................................. 18

1.3 Insumos ......................................................................................................................... 19

1.3.1 Preservante CCA .................................................................................................. 19

1.3.2 Composición Química .......................................................................................... 20

1.3.3 Fijación de CCA .................................................................................................... 20

1.3.4 Cantidad Total de Óxidos y Proporción de Óxidos. ........................................ 21

1.3.5 Retención de Producto preservante .................................................................. 21

1.3.6 Penetración de Producto Preservante .............................................................. 23

CAPITULO 2 ............................................................................................................................ 26 2.1 Identificación del equipo y maquinas ........................................................................ 26

2.2 Instrumentación ............................................................................................................ 32

2.2.1 Vacuómetro ............................................................................................................ 32

2.2.2 Manómetro ............................................................................................................. 32

Capítulo 3 ................................................................................................................................. 33 3.1 Descripción del proceso no automatizado ............................................................... 33


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3.2 Enumeración de partes y accesorios de la planta de impregnación ................... 34

3.3 Secuencia de trabajo de impregnación ................................................................... 35

3.3.1 Ingreso de la madera: .......................................................................................... 36

3.3.2 Inundación: ............................................................................................................ 36

3.3.3 Presión: .................................................................................................................. 36

3.3.4 Trasvasije: .............................................................................................................. 37

3.3.5 Presión de vacío: .................................................................................................. 37

CAPITULO 4 ............................................................................................................................ 38 4.1 PLC ................................................................................................................................. 38

4.2 Ventajas de un PLC ..................................................................................................... 39

4.3 Etapas de funcionamiento de un PLC ...................................................................... 39

4.3.1 La etapa de entrada ............................................................................................. 39

4.3.2 La etapa de procesamiento ................................................................................. 40

4.3.3 La etapa de salida ................................................................................................ 40

4.4 Partes Principales (Estructura Externa) ................................................................... 40

4.4.1 Fuente de alimentación ........................................................................................ 41

4.4.2 CPU ......................................................................................................................... 42

4.4.3 Módulos o interfaces de entrada y salida (E/S) ............................................... 42

4.4.4 Dispositivo de programación ............................................................................... 43

4.5 Funcionamiento de un PLC ........................................................................................ 43

4.5.1 Revisar el estado de las entradas ...................................................................... 44

4.5.2 Ejecución del programa ........................................................................................... 44

4.5.3 Actualizar el estado de las salidas ..................................................................... 44

4.5.4 Clase de señales en procesos de automatización industrial ......................... 45

4.5.5 Señal analógica ..................................................................................................... 45

4.5.6 Señal digital ........................................................................................................... 45

CAPITULO 5 ............................................................................................................................ 46 5.1 GX Developer ............................................................................................................... 46

5.2 Ventajas del GX Developer ........................................................................................ 46

5.3 Lenguaje de programación ......................................................................................... 47

5.3.1 Ladder o tipo escalera (KOP) ............................................................................. 48

5.4 Lógica de programación .............................................................................................. 48

5.4.1 Algebra de Boole .................................................................................................. 48

5.4.2 Funciones lógicas básicas .................................................................................. 49

5.4.3 Lógica secuencial ................................................................................................. 50


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CAPITULO 6 ............................................................................................................................ 52 6.1 Componentes para la Automatización de la Impregnadora .................................. 52

6.1.1 Válvula limitadora de presión .............................................................................. 52

6.1.2 El cilindro neumático de doble efecto ................................................................ 53

6.1.3 Electroválvulas neumáticas 5/2 .......................................................................... 53

6.1.4 Sensores ................................................................................................................ 54

6.1.5 Relé ......................................................................................................................... 57

6.1.6 Contactor ................................................................................................................ 57

6.1.7 Elementos de dialogo Hombre-Máquina ........................................................... 58

6.1.8 Electroválvula ........................................................................................................ 60

6.1.9 Compresor ............................................................................................................. 60

6.1.10 Regleta de conexiones ...................................................................................... 61

6.1.11 Tiras conduit ........................................................................................................ 61

6.1.12 Terminales para conductores eléctricos ......................................................... 62

6.1.13 Cables .................................................................................................................. 62

6.2 Designación de comandos ......................................................................................... 63

6.3 Desarrollo del programa de automatización ........................................................... 64

6.3.1) Inicio del programa .............................................................................................. 64

6.3.2) Cierre de puerta ................................................................................................... 64

6.3.3) Vacío para ayuda de inundación ...................................................................... 65

8.2.4 Inundación del autoclave ..................................................................................... 66

6.3.5 Presión .................................................................................................................... 66

6.3.6) Termino de etapa de presión ............................................................................. 67

6.3.7) Trasvasije .............................................................................................................. 67

6.3.8) Vacío final ............................................................................................................. 68

6.3.9) Termino de proceso de impregnación .............................................................. 68

CAPITULO 7: ........................................................................................................................... 70 7.1) Cotización de componentes ...................................................................................... 70

7.2.1) Datos obtenidos con la operación actual ......................................................... 71

7.2.1) Datos con una posible automatización. ........................................................... 71

CONCLUSIÓN ........................................................................................................................ 73 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 74 GLOSARIO .............................................................................................................................. 75 ANEXOS .................................................................................................................................. 76


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Introducción

Un recurso presente desde los comienzos de la existencia humana gracias a su gran versatilidad de uso ha sido la madera. Nuestro país y en especial nuestra región del Bío-Bío cuentan con un abundante recurso forestal. El costo de la madera, su disponibilidad en variadas formas y tamaños, su gran resistencia en relación a su peso, la facilidad del trabajo y la baja conductividad térmica, han convertido a esta en un material imprescindible y una gran fuente de trabajo en nuestra región. La madera es un material orgánico y como tal susceptible a los agentes climáticos, ambientales y biológicos, lo que hace que tengas ciertas limitaciones en su estado natural, ya que es susceptible de ser atacada por organismos vivos denominados xilófagos, que la pueden destruir una vez en servicio, con la consecuente pérdida económica que esto significa. Dado lo anterior y centrándonos en el área de la construcción de viviendas se han desarrollado distintas formas de conservación de este recurso tan preciado, uno de ellos y en el cual está enfocado nuestro trabajo son las plantas de impregnación y en este caso el proceso de célula llena. El proceso que se realiza en las plantas de impregnación puede hacer que la madera logre resistir hasta 40 años, pero este proceso va quedando obsoleto; ya que es un proceso manual en el cual se necesita alguien que este 100% enfocado en este trabajo. En estos tiempos donde el tiempo es el bien más preciado y como la tecnología avanza cada día más es fundamental poder innovar, buscando cada día acelerar estos procesos logrando así generar mayores ganancias económicas. Por lo anterior el presente seminario tiene como fin lograr que este proceso en particular pueda realizarse de forma automática y autónoma.


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Objetivos

Objetivo General

Desarrollar una reingeniería de un equipo de impregnación orientado automatizar su funcionamiento y manejo incorporando componentes de control y sistema de automatización que reemplace el sistema manual de uso actual.

Objetivos Específicos

Análisis del proceso de impregnación estableciendo procedimientos, insumos y características técnicas de este tratamiento de la madera.

Desarrollar estudio instrumental, de equipamiento del sistema actual y de las variables a controlar en tipo y rango.

Analizar la estructura y funcionamiento del sistema de impregnación identificando componentes, sus características técnicas y función.

Establecer la secuencia del trabajo de impregnación para definir los requerimientos del programa de control

Diseñar el sistema de control definiendo instrumentación, lazos de control y programa de control eléctrico, hidráulico y químico del proceso.

Descripción de la empresa

Constructora y Obra Civiles Conumo alto Limitada RUT 76.816.580-7, ubicada en Monsalve #168 lote 6, Carampangue, Arauco, Región del Bío-Bío. (ver figura Nº1 y Nº2).


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Figura Nº1 ubicación de la empresa

Figura Nº 2 Constructora y Obras Civiles Conumo Alto Lta.


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Fue creada en el año 2004 por su dueño Víctor Manuel Valenzuela Gatica, orientada a la ejecución de obras y proyectos de construcción y servicios, entendiéndose por estos, los siguientes:

Obras Civiles

Elaboración de hormigón

Artículos de hormigón y mortero

Fabricación de productos elaborados de metal N.C.P

Alquiler de autos, camionetas y camiones

Alquiler de maquinaria pesada

Alquiler de herramientas

Impregnación de madera

Los inicios de la empresa fueron a comienzos del 2004, siendo solo la planta de impregnación para luego en Abril del 2007 crear la empresa Constructora y Obras civiles Conumo Alto Lta. Consta con 100 trabajadores entre administrativos y obreros, siendo su gerente y dueño Víctor Manuel Valenzuela Gatica. Desde su creación como constructora se han dedicado a la construcción de viviendas sociales a lo largo de la región del Bío-Bío, llegando a realizar proyectos de más de 300 viviendas en la ciudad de Cañete.

Descripción del problema

La planta impregnadora cuenta con diversos procesos complejos; regulación de presión, peligrosidad de líquido preservante, etc. Por lo anterior se cuenta con un operario de tiempo completo y conocimientos avanzados de la utilización de esta máquina. El problema radica al momento que el operario se encuentra ausente por algún motivo, ya sea de estar realizando otra actividad, se encuentre enfermo, etc. En esos casos la productividad de este equipo es nula, debido que en la empresa no existe otro operario que pueda manipular la planta de impregnación. Lo que ha generado pérdidas a la empresa, por esta razón se requiere que la maquina pueda ser utilizada por cualquier operario de la empresa. La solución que se pretende realizar es la automatización completa del proceso de impregnación mediante PLC, con el fin de que pueda ser operada por cualquier trabajador sin mayor conocimiento del proceso.


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CAPITULO 1

1.1 Descripción y aplicación general del proceso de impregnación de madera

Hoy en día existen diversos tipos de procesos de impregnación entre ellos: célula llena, célula llena modificada, Método de Rüeping, método de vacío, método “celon” o “drilon”, entre otros. El más utilizado es el primero el cual es implementado en la empresa. La compañía utiliza un químico de la empresa ARCH QUIMETAL la cual realiza visitas esporádicas a la fábrica para controlar y medir los índices del químico este es conocido como Wolman CCA-C donde la solución está constituida por óxidos de cromo, cobre y arsénico, esta mescla es extremadamente corrosivo, por ende debe ser manipulado con extremo cuidado y se debe utilizar equipos de protección completo durante la maniobra. El proceso que se realiza en la empresa Conumo alto es el ya mencionado con anterioridad el cual consta de las siguientes etapas: Ingreso de la madera Inundación Presión Trasvasije Presión de vacío Extracción de la madera

1.1.1 Ingreso de madera:

Una vez que los carros se encuentran completamente cargados “tres en este caso” se ingresa la madera al autoclave para así continuar con el cierre de la puerta hasta un cierto punto todo este proceso se realiza de forma manual, para concluir con el cierre de la puerta se realiza una presión de vacío para que el autoclave quede completamente hermético.

1.1.2 Inundación:

Al concluir con el cierre de la tapa se debe detener la presión de vacío para así dar paso a que el líquido baje del cilindro de almacenamiento, el cual inundara por completo el recipiente por un determinado tiempo.


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1.1.3 Presión:

En esta etapa se le aplica presión al recipiente inundado para que penetre el preservante a la madera a no más de unos 12 bares, de sobre pasar dicha presión se debe despichar, para evitar posibles daños en la estructura del cilindro.

1.1.4 Trasvasije:

Luego de concluir con los tiempos de exposición de la madera al líquido, se debe detener la presión hasta el nivel cero para comenzar el trasvasije del cilindro en el cual está la madera hacia el contenedor para que el autoclave quede libre de líquido preservante.

1.1.5 Presión de vacío:

Esta se utiliza en la primera etapa para el cierre del autoclave y también para concluir el proceso de impregnación. En esta etapa se realiza esta presión de vacío para retirar todo tipo de excedente que pueda quedar en el interior del autoclave y los remantes de fluido que posea la madera. Una vez realizado todo el proceso y verificar de que no exista liquido en el interior, se procede con la apertura del autoclave y posterior retiro de la madera. Este proceso también conocido Bethell debería realizarse de forma correcta de la siguiente manera; este proceso comienza con el análisis de la madera que debe cumplir con las condiciones de humedad de un 25 % ya que de otra forma la madera no absorberá la solución adecuada, debido a que la madera contendrá agua en su estructura celular y esta no permitirá el ingreso del líquido, una vez realizada esta medición se procede al ingreso de la madera al autoclave ya sea de forma manual o automática , previamente calculado su volumen, también es importante saber para que se va utilizar la madera ya que dependiendo de esto es que se realizara la mezcla del líquido impregnante, que quiere decir esto si la madera se utilizara para el ambiente se necesitara una mezcla distinta que para una madera que se utilizara en interior de una vivienda, una vez que la carga se encuentre el interior comienza el proceso de vaciado del autoclave para así sacar el aire del interior y el aire que tenga las células, de igual forma este proceso ayuda al cierre hermético de la puerta del autoclave, luego se procede con el llenado del cilindro sin desactivar la bomba de vacío hasta completar el volumen total. Se cierra a continuación la válvula de llenado y la de vacío para comenzar abrir el circuito de presión, que es entregada por una bomba de presión. El tiempo y la presión dependerán del tipo de madera y para que se utilizara esta, ya que de aquí saldrá la cantidad de preservante que se introducirá en la madera.


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Una vez concluido este proceso comienza el trasvasado del líquido y comienza el vaciado del autoclave para retirar el posible excedente que se encuentre en la madera.

1.1.6 General:

El volumen de la madera en metros cúbicos que constituye la carga debe ser calculado lo más exacto posible. El higrómetro de resistencia, se muestra en la figura Nº1.1, es el equipo que determina el porcentaje de humedad interna de la madera mediante un sistema de medición de la resistencia eléctrica.

Figura Nº 1.1 Higrómetro de resistencia

El contenido de humedad de la madera no deberá exceder el 25% cuando se usa el ciclo de célula llena. La cantidad de presión y el periodo de duración debe ser controlada para producir un material que penetre todo el espesor de la albura y la penetración mínima de duramen exigida por la norma 819. Normalmente, esto requerirá una inyección bruta de solución de no menos de 400 litros por metro cubico en un proceso de célula llena. El proceso de impregnación de la madera se utiliza para mejorar la durabilidad de esta, ya que son afectados por diversos agentes, entre ellos los hongos, termitas, y otras especies ya sean del reino animal o vegetal. La solución inyectada en la madera inhibe el ataque de estos agentes debido que es un veneno para estas especies En la impregnación existen dos tipos de procedimientos uno de ellos es el de célula llena también conocido por el nombre de “proceso Bethell” y el otro es el célula llena modificada. El primero consiste en dejar las cavidades de las células en la estructura de la madera lo más saturada posible de la solución. Esto se logra en un autoclave, en donde se ingresa la carga ya sea de forma manual o automática, para así comenzar retirando el aire de la madera con un vacío inicial alto, para posteriormente comenzar con el llenado de la cámara, y aplicar una presión alta para alcanzar la impregnación de la madera, y por último se ejerce una presión de vacío en un tiempo determinado para eliminar la secreción superficial de la madera.


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La Asociación Americana de Preservadores de madera define el ciclo de tratamiento de célula completa como aquel que tiene un vacío inicial equivalente a menos de 22 pulgadas de mercurio a nivel del mar, manteniendo por no menos de 30 minutos antes de llenar el cilindro. El proceso a célula llena modificada está diseñado para reducir la cantidad de solución retenida en las áreas tratables de la albura en las especies de pino. Esto se logra limitando el vacío inicial, agregando presión hasta una inyección deseada, y utilizando una descarga de presión baja y un relativo vacío final prolongado.

1.2 Madera

Para llegar a comprender realmente el proceso de la impregnación debemos comenzar por conocer y entender la madera, material que a diferencia de otros productos como el acero, concreto y otras provienen de un organismo vivo, y como tal, tiene una estructura y propiedades sumamente complejas. La madera es un derivado del tronco de un árbol el cual cumple 3 funciones básicas: sostén, transporte y almacenamiento de nutrientes. La madera cumple estas tres funciones gracias a su estructura anatómica, la cual tiene elementos visibles (macroscópicos) y no apreciables a simple vista (microscópicos).

1.2.1 Estructura microscópica

La madera está compuesta por elementos muy pequeños no visibles a simple vista. Estos elementos se llaman células que son especies de “tubos” ubicados en el tronco a lo largo y ancho. (Como se muestra en la figura Nº1.2).

Figura Nº 1.2 Estructura microscópica

Estos tubos o células están compuestos por una pared rígida y un espacio o lumen en su interior.


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Las células poseen en sus paredes unos pequeños espacios llamados puntuaciones que permiten a los preservantes diluidos circular entre ellas, mecanismos similares al que usa el árbol para realizar el transporte de agua y nutrientes cuando está vivo. Este es justamente el mecanismo principal que permite que el preservante circule al interior de la madera y llenen las células con los preservantes que se aplican en un proceso de impregnación.(ver figura Nº1.3)

Figura Nº 1.3 Puntuaciones

1.2.2 Características Macroscópicas

Las propiedades macroscópicas son aquellas que se pueden distinguir a simple vista y permiten caracterizar el tronco del árbol y una pieza de madera. Si observamos una rodela de tronco tenemos las siguientes características macroscópicas.(ver figura Nº1.4)

Figura Nº 1.4 Características Macroscópicas

Las zonas de mayor importancia en el proceso de impregnación son: Duramen: zonas interna llamada madera muerta, ya que no tiene actividad fisiológica. En muchas especies es de color más oscuro. Presenta sustancias


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químicas toxicas para los hongos e insectos que se alimentan de la madera. Es una zona poco permeable y menos contenidos. Albura: zona externa de color claro cuyas células contienen aguas y nutrientes. Esta zona de la madera en la mayoría de las especies es de fácil impregnación una vez que se ha alimentado el agua del interior de las células.

1.2.3 Durabilidad Natural

La Norma Chilena NCh 789/1 Of. 87 clasifica las especies según su durabilidad natural en:

1. MUY DURABLES 2. DURABLES 3. MODERADAMENTE DURABLES 4. POCO DURABLES 5. NO DURABLES A continuación se muestra en la tabla 1.1 las categorías y la vida útil de acuerdo a las especie.

Tabla Nº 1.1 NCh 789/1 Of. 87

Categoría Especie Vida útil

Muy durables Roble Ciprés de la gualtecas

Sobre 20 años

Durables Raulí Lenga Lingue

Sobre 15 años

Moderadamente durables Canelo Coihué Tineo Ulmo

Sobre 10 años

Poco durables Araucaria Eucaliptus Laurel Mañío hembra Mañío macho

Sobre 5 años

No durables Álamo Olivillo Pino Tepa

Inferior a 5 años

Este anexo de la norma, establece las 5 categorías de durabilidad natural con respectos al duramen de las especies, expuestas al contacto directo con la tierra, puesto que es en esta zona donde se producen infiltraciones de sustancias orgánicas


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como aceites, gomas, resinas, taninos, compuestos aromáticos y colorantes que lo convierten en un tejido más duradero y de color generalmente más oscuro. El grado de durabilidad natural de una madera depende por un lado de la especie y también de la zona del tronco de donde proviene. La albura ofrece una baja resistencia a los organismos que la atacan, en cambio el duramen en la mayoría de las especies es más resistente a la biodegradación. En nuestro caso el pino, se duraminiza la parte central dl tronco del árbol alrededor de los 10 años, por lo que normalmente los polines usados en impregnación que fluctúan entre los 6 a 12 años prácticamente no contiene duramen siendo de muy baja durabilidad y fáciles de impregnar con la solución CCA. Los postes en cambio, poseen una proporción importante de duramen, 40 a 60% del corte transversal, con lo que la penetración del preservante no es total en la madera. En madera aserrada de pino la proporción de duramen es muy variado y depende de la sección del tronco de donde se obtuvo la pieza. Es así, como algunas piezas presentan solamente albura, otras presentan sólo duramen o bien una proporción de ambos. El duramen en la superficie deben estar penetradas por lo menos 10 mm. Esta variabilidad en madera aserrada dificulta la impregnación, por lo que se deben tomar precauciones con respecto a la proporción de uno u otro en el cálculo de volumen de la carga, el contenido de humedad, y las variables del proceso (tiempo e intensidad de vacío y presión).

1.2.4 Contenido de Humedad

Uno de los factores de mayor importancia en el proceso de impregnación es el agua contenida en la madera. El agua en el árbol es el líquido en donde están disueltos los nutrientes que se transportan desde el sueño a las hojas. El agua presente en la madera se puede encontrar dispuesta dentro de las células en las siguientes formas: Agua libre: agua que se encuentra en el lumen o hueco de las células y sale fácilmente con un proceso de secado.( se muestra en la figura Nº1.5).

Figura Nº 1.5 Agua libre e incluida


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Agua incluida: agua que se encuentra adherida a la pared de las células, sacarla es difícil y provoca cambios dimensionales en la madera. Para efectuar el proceso de impregnación se requiere contar con el lumen de las células desocupado (sin agua libre) que se alrededor de 25% de humedad (CH°). Si el contenido de humedad es mayor a 25% el lumen o espacio de las células de la madera tendrá agua y la solución CCA podrá ser introducida formalmente lo que provocará una mala penetración de la solución preservante al interior de la madera. Por lo tanto, la madera según el Contenido de Humedad (CH°) se clasifica en: Madera saturada: Las paredes y el lumen están llenos de agua, el contenido de humedad varía entre 120% y 200% dependiendo de la especie. Esto significa que la madera contiene agua entre 120% y 200% de su peso seco.(ver figura Nº1.6)

Figura Nº 1.6 Madera saturada

Madera verde: Las paredes se encuentran llenas de agua y el lumen parcialmente lleno, el contenido de humedad varía entre 25% y 120%, es decir, el agua contenida en la madera es entre 25% y 120% del peso seco de está.( se observa en la figura Nº1.7).

Figura Nº 1.7 Madera verde


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Punto de saturación de la fibra: La pared de la fibra se encuentra llena de agua y el lumen completamente vacío, ver figura Nº1.8, el contenido de humedad es de un 25%.

Figura Nº 1.8 Punto de saturación de la fibra

Madera seca: Solamente la pared contiene agua, el lumen está vacío, el contenido de humedad varía entre 5% y 25%.( ver figura Nº1.9).

Figura Nº 1.9 Madera seca

Los problemas dimensionales en la madera se producen cuando ésta pierde agua bajo el punto de saturación de la fibra. Este fenómeno se llama Contracción

1.2.5 Absorción de líquido en un Proceso de Impregnación.

Como se mencionó anteriormente, para lograr introducir la solución preservante a la madera, se requiere que el lumen de las células de la madera esté vacío. Al proceso de llenado de las células con líquido se le llama Absorción y es la cantidad de líquido que se puede introducir a la madera. La absorción tiene relación directa con la porosidad de la madera (esta característica depende de la especie), zona del árbol (albura o duramen) y su contenido de humedad. En nuestro caso madera de pino, la absorción en pino insigne que se encuentra a un 25% de contenido de humedad es de 400 lt/m3 en albura, es decir es una especie muy permeable y por lo mismo fácil de impregnar. En el eucalipto en cambio, la absorción en labura es de 80 lt/m3 y 30 lt/m3 en duramen, por lo tanto, es una


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especie no apta para recibir tratamiento de impregnación. Se llama especie Refractaria. Una madera de peso a un15% de humedad absorberá alrededor de 550 lt/m3 de solución.

1.3 Insumos

1.3.1 Preservante CCA

Los preservantes son Productos Químicos de Efectividad Comprobada que se aplican a la madera para protegerla contra el ataque de hongos, insectos, bacterias y taladradores marinos. La formulación de preservantes más ampliamente utilizada a nivel mundial son los productos CCA, gracias a su capacidad de fijación en la madera, a la facilidad de aplicación y a su efectividad. El preservante Wolman CCA-C es una formulación estándar de preservante para madera, que cumple con la Norma Chilena 790 y con el standard P5 de la American Wood Preserver’s Association (AWPA- Asociación Americana de Preservantes para Madera), se debe usar solamente para el tratamiento a presión de productos de madera. WOLMAN CCA se vende como concentrado al 70 y 60 por ciento y es un líquido café oscuro, extremadamente corrosivo, que pesa aproximadamente 2 kilos por litro (70%) y 1,85 kilos por litros (60%). Debe ser manipulado con extremo cuidado y se debe usar equipo protector completo durante la manipulación. Se entrega envases plásticos de alta resistencia el producto al 70% de óxidos y a granel, en un estanque-tráiler la formulación 60% y hay que tener extremos cuidado al descargar y transferir el concentrado para evitar cualquier derrame. Este concentrado no es inflamable ni explosivo. El preservante CCA-A en la solución de tratamiento está constituido por óxidos de cromo, cobre y arsénico. Estos óxidos son solubles en agua durante la preparación y el uso de la solución de tratamiento. Sufren una reacción química cuando entran en contacto con la madera y forman compuestos altamente insolubles. En condiciones frías, cristales de hielo empezaran a formarse en el Concentrado Wolman a -20°C. Se pondrá cremoso a -25°C, y pastoso a -30°C. el concentrado no se daña por el congelamiento y puede ser utilizado sin dificultades después de su descongelamiento. Sin embargo, es necesario recordar que la formación de hielo puede dañar los estanques, las tuberías y los instrumentos. El concentrado Wolman CCA-A está registrado ante Servicio Agrícola y Ganadero (SAG) con el N°2439 para el producto al 60% y N°2087 para el producto al 70% y también en United States Environmental Protection Agency (EPA- Agencia de


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Protección Ambiental de los Estados Unidos) como pesticida de uso restringido. Como tal, está autorizado su uso en Chile para la impregnación de madera por vacío-presión y es necesario que sea utilizado por o bajo la supervisión directa de personal especializado. La planta de impregnación de madera debe tener autorización y cumplir con l normativa vigente del Servicio de Salud Regional y cumplir con DS 594. La durabilidad de la madera tratada con CCA es para toda la vida si ésta cumple con la Norma 819. Muchos de los postes tratados con CCA de tendido eléctrico y telefónico, instalados en zona de alta humedad y temperatura en Estado Unidos han cumplido más de 70 años de uso sin necesidad de reemplazarlos. La marca Wolman es la más antigua existente en el mundo e involucra conceptos de calidad y protección ambiental. Como se mencionaba es un componente altamente corrosivo, por lo cual para que el autoclave no se corroa este problema se pueden solucionar mediante el pre-tratamiento del agua (descalcificación, ósmosis, etc.), y también mediante la adición de productos protectores con acción anticorrosiva y/o anti incrustante. En algunos casos puede ser necesario realizar un tratamiento para el control microbiológico de la calidad del agua. Existen anticorrosivos para cada tipo de autoclave y productos anti incrustantes y eliminadores de grasa para el proceso de esterilización. Se pueden realizar limpieza química del autoclave.

1.3.2 Composición Química

El nombre CCA proviene de los componentes químicos que son el Cobre (C), el Cromo (C) y el Arsénico (A). Cada uno de ellos cumple una función determinada dentro de la madera como se indica a continuación: Cobre: Es el elemento que impide el ataque de hongos y bacterias (Fungicida) Arsénico: Protege a la madera contra los insectos (Insecticida) Cromo: este elemento es el responsable de la fijación definitiva del preservante en la madera (Fijador) Para la formulación del preservante Wolman CCA se utilizan Óxidos de estos tres elementos, es decir, oxido de cobre (CuO), trióxido de cromo (CrO3) y pentóxido de arsénico (As2 O5).

1.3.3 Fijación de CCA

El preservante CCA se une químicamente a la madera en una reacción de fijación, que consiste en que el cromo reacciona con los componentes de la madera


21

(azucares), en un proceso llamado reducción transformándose en Cr +6 a Cr + 3, cambiando en PH acido a un menos acido, formándose una mezcla de compuestos insolubles, involucrando al arsénico y cobre en ellos. Los elementos cobre, cromo y arsénico quedan químicamente adheridos a la madera. Visualmente este proceso de fijación se aprecia con el cambio de color del producto desde un tono anaranjado en la solución a un color verde característico de la madera tratada. El proceso de fijación se cumple totalmente cuando se han secado la madera, sin embargo 48 horas después del proceso de impregnación se logra el 90% de la fijación, por lo que la madera no debe ser entregada para su uso antes de ese periodo. Esto también depende de la época del año ya que la fijación es dependiente de la humedad temperatura. En invierno el proceso de fijación puede durar meses.

1.3.4 Cantidad Total de Óxidos y Proporción de Óxidos.

Los preservantes CCA no pueden ser formulados de tal forma que contengan un 100% de óxidos activos dado que este producto seria inestables y prácticamente imposible de aplicar. En nuestro país, los preservantes que se ofrecen en el mercado tienen entre un 60% y un 70% de óxidos totales. El porcentaje restante, 30% y 40%, es agua. Por los mismo, no es lo mismo expresar el preservante CCA en Óxidos o Preservantes y debe tenerse claro que las Normas de Retención de preservante se refieren siempre a la cantidad de óxidos activos y no a la cantidad total de preservante o producto que debe contener la madera. La proporción de óxidos de cobre, cromo y arsénico está estipulado en la Norma Chilena 790, Of, 95; la cual indica un contenido promedio de cobre de 18,5%, de cromo 47,5% y de arsénico 34%. El cuadro siguiente indica los rangos en que se deben encontrar estos elementos. Tabla Nº 1.2 proporción máxima y mínima expresadas en óxido, % en composición analítica

Elementos activos mínimo máximo

Cromo hexavalente CrO3 44.5 50.5

Cobre bivalente CuO 17.0 21.0

Arsénico pentavalente AS2O5 30.0 38.0

1.3.5 Retención de Producto preservante


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Es la cantidad en kilogramos de producto preservante o kilogramos de óxidos activos que deben quedar retenido en cada metro cubico de madera. Nota: Si la retención se expresa en producto preservante, la concentración también debe expresarse en producto preservante y si la retención se expresa en óxidos, (como lo señala la NCh 819 de requerimiento según uso y riesgo) la concentración también debe anotarse en óxidos. Para convertir de óxidos a producto la retención de preservante, debe dividirse por el total de óxidos del preservante usado y se multiplica por 100. En nuestro caso, Retención de 6,4 kg de óxido/m3.

La retención que se logre luego de un ciclo de impregnación debe como mínimo, ser igual a la estipulada por la Norma Chilena 819 de acuerdo al uso de la madera. Por lo mismo, antes de realizar el ciclo de impregnación debe realizarse una especificación del tratamiento para programar el resultado esperado. Requisitos de retención según uso y riesgo esperando en servicio de la madera exigidos por Norma Chilena NCh 819, Of, 03.(ver figura Nº1.11) Tabla Nº 1.3 Clasificación de la madera de Pino Radiata según uso y riesgo en servicio.

Uso/ agentes de deterioración Retención esperada de CCA (kg/m3)

Riesgo1 (R1) Maderas usadas en interiores, ambientes secos, con riesgo de ataque de insectos solamente, incluida la termina subterránea

4.0

Riesgo2 (R2) Maderas usadas en interiores, con posibilidad de adquirir humedad, ambiente mal ventilados. Riesgo de ataque de hongos de pudrición e insectos

4.0

Riesgo3 (R3) Usadas en maderas exterior, sin contacto con el suelo, expuesta a las condiciones climáticas, riesgos. de ataque de hongos de pudrición e

insectos

4.0

Riesgo4 (R4) Maderas enterradas o apoyadas en el terreno, con posibilidades de contacto esporádico con agua dulce. Riesgo de ataque de hongos de pudrición e insectos.

6.4

Riesgo5 (R5) Maderas enterradas en el suelo, componentes estructurales críticos, en contacto con agua dulces. Riesgo de ataque de hongos e insectos.

9.6

Riesgo6 (R6) Maderas expuesta a la acción de aguas marinas y para torres de enfriamiento. Riesgo de ataque de horadares marinos.

24 o 40 (zona de ensayo exterior)


23

14 o 24 (zona de ensayo interior)

1.3.6 Penetración de Producto Preservante

Es la profundidad en centímetros que penetró la solución preservante al interior de una pieza de madera y medida en sentido perpendicular a los anillos de crecimiento. Una mala penetración, se debe principalmente a problemas de humedad en la madera, madera muy resinosa, con gran proporción de duramen o tiempo y/o intensidad de vacío inicial inadecuado. En la siguiente tabla Nº 1.4 se muestran los requisitos de penetración. Tabla Nº 1.4 Requisito de penetración del preservante según Norma Chilena NCh 819, Of, 03.

Producto Clasificación de Riesgo

Requisitos mínimos de penetración en albura o profundidad mínima(mm) en las caras

Albura Profundidad mínima( en caso de duramen expuesto o baja porción de albura en la superficie)

Madera aserrada y elaborada

R1, R2, R3, R4 100% 10 mm

Madera aserrada utilizada en fundaciones

R5 100% 64 mm

Polines sin contacto con el suelo

R3 100% 10 mm

Polines enterrados en el suelo

R4 100% 25 mm

Postes y otros elementos redondos

R5 100% 89 mm

Fundaciones de madera redonda enterradas en el suelo y/o aguas dulces

R5 100% 64 mm

Contrachapados R1, R2, R3, R4, R5, R6 Cada una de las chapas debe estar penetrada 100%

Madera laminada encolada

R1, R2, R3, R4, R5, R6 100% 75 mm

Pilotes marinos de madera redonda

R6 100% 64 mm

Las soluciones de tratamiento Wolman diluidas no son corrosivas, ni son altamente dañinas para los trabajadores. Sin embargo, contiene preservantes tóxicos y es necesario tomar precauciones para evitar el contacto innecesario. No se debe permitir que las soluciones de tratamiento Wolman se contaminen con sustancias extrañas o con otras soluciones de tratamiento. Pueden ocurrir reacciones que causen formación de lodo y estropeen la solución de tratamiento.


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Las soluciones de tratamiento Wolman formarán cristales de hielo a distintas temperaturas, que varían desde -1°C para una solución al 0,8 por ciento, a -4°C para una solución al 2%. La formación de hielo no daña la solución de tratamiento, pero puede dañar el estanque de almacenamiento, las líneas o los indicadores del estanque. Wolman CCA se aplica diluido en suspensión, es decir una cantidad del producto debe ser mezclado con una mayor cantidad de agua. Esta solución de preservante se prepara a una determinada concentración de producto. Concentración de la Solución Preservante en Producto: Es la cantidad en kilogramos que se mezcla con agua hasta completar un volumen de 100 litros de agua. Concentración de la Solución Preservante en óxidos: Es la concentración de solución preservante en productos multiplicada por la cantidad total de óxidos del producto y dividida por 100. La preparación de la solución se realiza en el estanque de mezcla y los pasos a seguir son los siguientes:

- Definir la concentración de la solución La solución preservante se prepara a una concentración que fluctúa normalmente entre 1% y el 5%, dependiendo de 2 factores

Uso de la madera a impregnar. Dado por la retención de oxidos exigida en la Norma NCh 819.

Contenido de humedad, si la madera está absolutamente seca absorberá mayor cantidad de solución y por tanto la concentración será más baja. Si la madera está menos seca ( alrededor del 28% a 30%) absorberá menos cantidad de solución y por tanto la concentración se debe aumentar.

La siguiente formula sirve para determinar la concentración a usar:


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Los siguientes cuadros muestran ejemplos de la concentración a usar considerando maderas de pino a diferentes contenidos de humedad, trabajando con Wolman al 60% y para tres tipos de uso que se le dará a la madera, calculada a base de la formula anterior:

Tabla Nº 1.5 Contenido de humedad de la madera de 25%

CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MADERA DE 25%

Absorción

esperada

Madera construcción

Polines

Postes

Concentración (%)

Óxidos Producto Óxidos Producto Óxidos Productos

400 1.0 1.67 1.60 2.66 2.4 4,0

Tabla Nº 1.6 Contenido de humedad de la madera 20% y 12% CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MADERA DE 25%

Absorción

esperada


Polines

Postes

Concentración (%)


500 0.8 1.33 1.28 2.13 1.92 3.2

CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MADERA DE 25%

Absorción

esperada


Polines

Postes

Concentración (%)


600 0.67 1.17 1.06 1.77 1.60 2.66


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CAPITULO 2

2.1 Identificación del equipo y maquinas

Figura Nº 2.1 La planta impregnadora modelo compacto IE-1,0/10-CEL-1P EC

Tabla N° 2.1 Componentes principales de un equipo de impregnación.

Componente Finalidad


27

La constitución de la planta impregnadora de la empresa Constructora y Obra Civiles Conumo alto Limitada y en general, consta de las siguientes partes y componentes que se describirán a continuación. En primer lugar la planta impregnadora cuenta con un cilindro metálico hermético que está en posición horizontal el cual recibe el nombre de autoclave (6). Su función es la de contener el líquido preservante y la madera para someterla a los procesos de vacío – presión – vacío. Las dimensiones del autoclave son 10 m de largo, 1 m de diámetro y un espesor de pared de 10 mm, con un volumen interior de 7850 L. El autoclave cuenta con una puerta hermética de rápido accionamiento por donde entra la madera (7).

1 Estanque de almacenamiento. Almacenar el líquido de impregnación

2 Estanque de mezcla. Mezclar el agua y el liquido

3 Bomba de trasvasije. Llegar el líquido del estanque inferior al superior

4 Bomba de presión. Generar presión en el autoclave

5 Bomba de vacío. Generar vacío en el autoclave

6 Autoclave. Depósito de la madera

7 Puerta de accionamiento rápido. Puerta hermética del autoclave

8 Estanque acumulador de vacío. Acumular vacío

9 Válvula de seguridad autoclave. Se abre si existe una presión muy alta

10 Sistema de regulación de presión. Mantener presión de 12 bar

11 Niveles de líquidos. Saber el nivel en el estanque superior

12 Manómetro. Saber la presión del autoclave

13 Vacuómetro. Saber la presión de vacío del autoclave

14 Estanque refrigeración bomba

vacío

Para mantener la bomba de vacío a una temperatura adecuada


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Figura Nº 2.2 Entrada autoclave y puerta hermética

El autoclave está unido en su parte superior por otro cilindro metálico hermético ubicado en posición horizontal que recibe el nombre de estanque de almacenamiento (1), que tiene como función almacenar la solución preservante. Este estanque tiene una capacidad de 10911 Litros. Cuenta con un nivel de líquido, utilizado para ver la cantidad de solución que contiene el estanque. Además cuenta con una escotilla ubicada en la parte superior del estanque usada para inspeccionar.(ver figura Nº2.3)

Figura Nº 2.3 cilindro metálico hermético sobre autoclave

En la parte posterior se encuentra el estaque de mezcla (2) unido al autoclave y al estanque de almacenamiento mediante cañerías. Este estanque tiene una capacidad de 4200 Litros. En este estanque se realiza la mezcla del preservante y agua. Posee un nivel de líquido, utilizado para ver la cantidad de solución que contiene el estanque y una escotilla por donde se debe realizar la carga de los bidones que contienen el preservante.(ver figura Nº2.4)


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Figura Nº 2.4 Estanque de mezcla

Para lograr el proceso de impregnación la planta impregnadora cuenta con tres bombas (vacío (5), presión (4) y trasvasije (3)) que cumplen diferentes funciones. La bomba de vacío (5,5 HP) la que está pintada de color verde, se ubica sobre y cercana a la puerta del autoclave. La función de esta bomba es sacar el aire del autoclave provocando un vacío al interior de éste. Cuenta con dos estanques, uno de refrigeración (14) otro acumulador de vacío (8) y un Vacuómetro (13), instrumento utilizado para medir el vacío presente en el interior del autoclave. La bomba de vacío debe ser lo suficientemente grande como para mantener el vacío deseado durante la operación de llenado, y entregar suficiente presión para devolver rápidamente la solución de tratamiento al estanque de trabajo. Para ahorrar tiempo de ciclos, los vacíos inicial y final (que se explicaran posteriormente) deben ser alcanzados dentro de los cinco a diez minutos. La bomba de vacío extrae el aire del cilindro y aún más importante el aire que está al interior de la madera con el propósito de lograr una entrada de solución preservante lo más profunda posible al interior de la madera. Esta planta así como la gran mayoría utiliza una bomba de vacío del tipo sellada y enfriada por agua. Este tipo de bomba logra alcanzar rápidamente el máximo de vacío requerido para este proceso que debe ser cercano a los -1 kg/cm2 (30 pulgadas de Hg). ( ver figura Nº2.5)


30

Figura Nº 2.5 Bomba de vacío y componentes.

La bomba de presión (5,5 HP), que se distingue por su color rojo y está ubicada a un costado del autoclave. La función de esta bomba es elevar la presión al interior del autoclave para que el preservante penetre a la madera. La bomba de presión cuenta con un manómetro (12), instrumento utilizado para medir la presión existente al interior del cilindro impregnador. Esta bomba eleva la presión al punto deseado que se encuentra entre 10 a 14 Kg/cm2 (140-200psi) en cinco minutos o menos. Se utiliza para forzar la solución a entrar en la madera y de esta forma obtener una buena y homogénea penetración. La bomba es de tipo centrifuga multi etapas o de canal lateral. Este equipo está diseñado para una presión máxima, por lo tanto, no se debe pensar que la bomba seguirá indefinidamente levantando la presión .Por esta razón la bomba se debe mantener siempre funcionando hasta lograr la absorción requerida. No se recomienda presiones sobre las 180 libras dado que la madera puede ser dañada y disminuir su resistencia mecánica.( ver figura Nº2.6)

Figura Nº 2.6 Bomba de presión y componentes


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La bomba de trasvasije (1,5 HP), la cual posee un color amarillo y está ubicada a un costado del autoclave. Es una bomba radial simple, es decir, posee un rodete que al girar conduce el líquido desde la zona de entrada de la bomba hacia la parte exterior impulsando la solución hacia la salida de ella. Está diseñada para rellenar el estanque de alimentación y también recircular y mezclar la solución en el estanque de inundación y/o mezcla.( ver figura Nº2.7)

Figura Nº 2.7 Bomba trasvasije y componentes.

La planta impregnadora cuenta con 1 válvula de seguridad (9) (calibrada a 250 psi) y 16 válvulas de accionamiento rápido. Son válvulas de dos posiciones las que tienen como función abrir y cerrar de forma eficiente el paso de fluidos por el sistema de cañerías. Las cañerías que conforman la planta impregnadora son de acero galvanizado y están determinadas de acuerdo al sistema que pertenecen, es decir, cañerías de color verde corresponden al sistema de vacío y sólo circula flujo aire. Las cañerías de color rojo pertenecen al sistema de presión y por ellas circula solución preservante. Por último existe el circuito de cañerías de trasvasije que son de color amarillo y por ellas circula solución preservante. La planta impregnadora tiene sus cimientos en una loza de concreto, la cual tiene un espesor de 15 cm y un área efectiva de 51,6 m2. Además esta loza posee una elevación de sus bordes de 15cm, la cual fue diseñada para contener posibles derrames y una leve inclinación descendente hacia la parte posterior de la planta donde se encuentra un pozo a nivel del suelo, con el objetivo de haber derrame el líquido no se quede estancado sino fluya hacia el pozo. El hormigón con el cual fue elaborada la loza posee una resistencia mínima de 250 kg/cm2 para evitar filtraciones de solución. El pozo receptor del posible líquido derramado mide 2,53 m de ancho, 4,764 m de largo y 1,15 m de profundidad, que puede contener un volumen de 1386 L. La planta impregnadora posee un sistema de rieles con un largo de 11,5 m y cuatro carros metálicos utilizados para introducir y sacar la madera del autoclave. Los carros tienen un sistema de cadenas para fijar la madera y evitar que ésta flote durante el proceso de impregnación.


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2.2 Instrumentación

2.2.1 Vacuómetro

El vacuómetro, observar figura Nº2.8, mide el grado de vacío que ha generado la bomba del mismo nombre. Es un instrumento en el que se conoce el valor máximo que se puede alcanzar y que corresponde a -1 bar o -1 Kg/cm2 o 30 pulgadas de mercurio (Hg)

Figura Nº 2.8 Vacuómetro

2.2.2 Manómetro

El manómetro, ver figura Nº2.9, indica la cantidad de presión que se aplica a la solución preservante para que ingrese en la madera. La lectura que trae el manómetro debe sobrepasar los valores normales de trabajo, para conocer con certeza a que presión se está impregnando. De esta manera si la presión alcanza a llegar a los 200 psi (14 Kg/ cm2) el instrumento a usar debe por lo menos tener lectura hasta 240 psi o 17 Kg/ cm2.

Figura Nº 2.9 Manómetro


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Capítulo 3

3.1 Descripción del proceso no automatizado

La impregnación de madera tiene un proceso general mencionados anteriormente, los que son presión de vacío-trasvasije- presión. Pero cada empresa dentro de estas tres etapas tiene sus distintas formas de trabajo dependiendo del uso que se le quiera dar a la madera. Por este motivo debemos conocer el proceso que realiza la empresa Constructora y Obras civiles Conumo Alto en su planta de impregnación para poder automatizar el proceso dependiendo de sus requerimientos. A continuación daremos a conocer el proceso que se realiza en la planta y así también la enumeración que sus componentes y accesorios la empresa le ha dado


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Figura Nº 3.1 Planta de impregnación Constructora y Obras Civiles Conumo Alto Lta, enumeración dada por la planta.

3.2 Enumeración de partes y accesorios de la planta de impregnación

Tabla N° 3.1 partes y accesorios de un equipo de impregnación

N° Elemento Finalidad

1

Válvula 1 Válvula que conecta el autoclave con la parte inferior del estanque acumulador de presión.

2

Válvula 2 Válvula que conecta el estanque acumulador de presión con la atmósfera. Recibe el nombre de válvula de acondicionamiento.

3

Válvula 3 de compuerta Válvula que conecta el autoclave con la pileta receptora de sales. Válvula que se utiliza para recuperar el líquido que se vierta cada vez que la puerta se abre.

4

Encendido/Apagado presión de vacío

Botonera de encendido y apagado


35

5

Encendido / Apagado presión


6

Encendido / Apagado trasvasije


7

Vacuómetro Nivel de presión de vacío

8

Válvula 8 Válvula que conecta la descarga de la bomba de presión con el autoclave.

9

Válvula 9 Válvula que conecta el estanque de almacenamiento con filtro en “Y” hacia la succión de bomba de presión.

10

Válvula 10 Válvula que conecta la parte inferior del estanque de mezcla con la succión de la bomba de caudal.

11

Manómetro Nivel de presión manométrica

12

Válvula de despiche Válvula que conecta el autoclave con el estanque de almacenamiento. Válvula que se deberá abrir cada vez que el autoclave llegue a la presión de trabajo de 180 – 200 psi.

14

Válvula 14 Válvula que conecta el estanque de almacenamiento con el autoclave. Válvula que permite el trasvasije o llenado del autoclave.

16

Válvula 16 Válvula que conecta el autoclave con la succión de la bomba de caudal.

17

Válvula 17 Válvula que conecta la parte inferior del estanque de almacenamiento con la succión de la bomba de caudal.

18

Válvula 18 Válvula que conecta el distribuidor de presión de la bomba de caudal con la parte superior del estanque de mezcla.

19

Válvula 19 Válvula que conecta el distribuidor de presión de la bomba de caudal con la parte superior del estanque de almacenamiento.

3.3 Secuencia de trabajo de impregnación

El proceso de impregnación que se lleva a cabo en esta empresa consta de las siguientes etapas.

Ingreso de la madera

Inundación

Presión

Trasvasije

Presión de vacío

Extracción de la madera impregnada


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3.3.1 Ingreso de la madera:

Luego de cargar los carros (tres en este caso) se ingresa la madera al autoclave procediendo a cerrar la tapa de él manualmente hasta cierto punto, luego para poder cerrar completamente la tapa del autoclave se debe aplicar presión de vacío por 1 minuto o 2 hasta cerrarse, para esto se debe tener abierta la válvula 1 y cerrada la número 2. ( ver figura Nº 3.2)

Figura Nº 3.2 Ingreso de la madera al Autoclave

3.3.2 Inundación:

Al terminar con el cerrado de la tapa se debe detener la presión de vacío, abrir válvula 14 , válvula 16 y 17 para que el líquido baje del cilindro superior, ver figura Nº3.3, abrir además válvula 2 para saber cuándo se termine de llenar el autoclave.

Figura Nº 3.3 nivel mostrando como el líquido entra al autoclave

3.3.3 Presión:

Al terminar la inundación se deben cerrar las válvulas 14, 16 y 17 al igual que la válvula 1. Luego de realizar esto abrir válvulas 8 y 9, encender bomba presión por 50


37

minutos aproximadamente, teniendo cuidado de no sobrepasar los 12 bar, de pasar a más de esa presión despichar. (ver figura 3.4).

Figura Nº 3.4 Presión

3.3.4 Trasvasije:

Al pasar los 50 minutos detener la presión, cerrar válvula 8, abrir válvulas 16 y 19 hasta que el manómetro llegue a cero, llegando a cero cerrar válvula 9, abrir válvula 1 y encender trasvasije. (figura Nº 3.5).

Figura Nº 3.5 trasvasije

3.3.5 Presión de vacío:

Al terminar el trasvasije del cilindro inferior al superior detener el trasvasije, cerrar válvulas 2, 16 y 19, encender vacío final por aproximadamente una hora. El vacuómetro debe llegar hasta la presión de -0.8 bar, si sobrepasa esa presión abrir la válvula 2.(observar figura Nº 3.6).


38

Figura Nº 3.6 vacío final

Al concluir la hora se detiene la presión de vacío, abrir válvulas 2 hasta que el vacuómetro llegue a cero. Mientras esto ocurre abrir un poco la tapa del autoclave.

Figura Nº 3.7 Madera después de la impregnación.

CAPITULO 4

4.1 PLC

Los Controladores Lógicos Programables se desarrollaron para proporcionar una sustitución para un relé grande basado en paneles de control. Estos sistemas fueron inflexibles hasta que fue necesario un recableado o reemplazo fundamentales es entonces cuando la secuencia de control tuvo que cambiarse. En palabras simples el Autómata Programable (P.L.C) es un dispositivo electrónico capaz de controlar en tiempo real, procesos secuenciales de cualquier tipo y volumen en la industria en general. El Autómata Programable (P.L.C), imagen Nº5.1, dispone de un bus de borneras de entrada donde se conectan todos los tipos de sensores y elementos de dialogo hombre-máquina que existan en una máquina o sistema.


39

4.2 Ventajas de un PLC

Fácilmente programables y reprogramables en planta.

Mantenimiento y reparaciones fáciles, preferiblemente usando tarjetas o

módulos contables.

Capaz de aguantar las condiciones Medioambientales, Mecánicas y Eléctricas del entorno.

Más pequeño que sus equivalentes de relés y de “estado sólido discreto”.

Rentable en comparación con sistemas de “estado sólido discreto” y “basados en relé”

Figura Nº 4.1 PLC

4.3 Etapas de funcionamiento de un PLC

El proceso de ingreso de datos consta de tres etapas:

Una etapa de entrada.

Una etapa de procesamiento.

Una etapa de salida.

4.3.1 La etapa de entrada

La etapa de entrada pasa las señales del control desde los interruptores, botones o sensores a la etapa de procesamiento.


40

Las señales desde estos componentes se generan como parte del proceso de control y se alimentan a las entradas como estados lógicos. La etapa de entrada los pasa a la etapa de procesamiento en un formato pre-procesado.

4.3.2 La etapa de procesamiento

En la etapa de proceso las señales pre-procesadas desde la etapa de entrada se procesan y combinan con la ayuda de las operaciones lógicas y otras funciones. La memoria del programa de la etapa de proceso es completamente programable. La secuencia de procesamiento se puede cambiar en cualquier momento modificando o reemplazando el programa de almacenamiento.

4.3.3 La etapa de salida

Los resultados del proceso de las señales de entrada por el programa alimentan a la etapa de salida donde controlan los elementos conmutables conectados tales como contactores, lámparas de señales, válvulas de solenoide y etc.( ver figura Nº 4.2).

Figura Nº 4.2 Estructura simplificada de un PLC.

4.4 Partes Principales (Estructura Externa)

. La estructura básica de cualquier PLC es:

Fuente de alimentación

CPU

Módulo o interfaz de entrada/salida (E/S)

Dispositivos de programación


41

Figura Nº 4.3 Estructura de un PLC.

4.4.1 Fuente de alimentación

La fuente de alimentación, ver figura Nº 4.4, genera la tensión para los módulos

eléctricos de los dispositivos de automatización. El nivel de esta tensión es de 24

volts. Para las tensiones de los transmisores de señal, posicionamiento de los

aparatos e indicadores luminosos, los cuales necesitan tensiones por encima de los

24 volts, se suministran transformadores como complemento.

Figura Nº 4.4 Fuente de alimentación


42

4.4.2 CPU

La CPU es la encargada de comandar y gobernar lo que realiza el PLC y está

diseñada a base de microprocesadores y memorias. Esta recibe los datos que le

entrega los módulos de entrada para posteriormente ejecutar un programa

previamente creado y almacenado en su memoria mediante un equipo programador,

luego el resultado de la ejecución de las instrucciones del programa son enviados a

los actuadores o dispositivos de salida. Este proceso se realiza de una manera

continua y cíclica.

4.4.3 Módulos o interfaces de entrada y salida (E/S)

Son los que proporciona el vínculo entre la CPU del controlador y los dispositivos de

campo del sistema. A través de ellos se origina el intercambio de información las

cuales pueden ser de tipo digital o analógico, ya sea para la adquisición de datos o la

del mando para el control de máquinas del proceso.

4.4.3.1 Módulo o interfaz de entrada

A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de

carrera, pulsadores, sensores, etc.)

Se pueden diferenciar dos tipos de sensores conectables al módulo de entradas: los Pasivos y los Activos. 4.4.3.2 Modulo o interfaz de salida

Módulo de salidas del autómata que es el encargado de activar y desactivar los

actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores pequeños, etc.).

La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se envía al

módulo de salidas para que sean activados los actuadores conectados a estas. Lo

cierto es que, los actuadores funcionan a voltajes diferentes al PLC y que una

conexión directa entre ellos se traduciría en el deterioro del PLC.

Para solucionar el problema se emplea un intermediario entre la salida del PLC y las

terminales del actuador los llamados contactores y relés.(ver figura Nº 4.5).


43

Figura Nº 4.5 Contactor

4.4.4 Dispositivo de programación

Consiste básicamente del dispositivo encargado de dialogar con el controlador en la

fase de configuración, programación y depuración, la comunicación entre ambos es

bidireccional. En definitiva estos dispositivos son ordenadores, notebook, netbook y

similares.( ver figura Nº 4.6).

Figura Nº 4.6 Programador

4.5 Funcionamiento de un PLC

Los autómatas programables son dispositivos de control secuencial que ejecutan

correlativamente las instrucciones indicadas en el programa de usuario almacenado

en su memoria, generando órdenes o señales de mando a partir de las señales de

entrada leídas, al detectarse cambios en las señales, el autómata reacciona según el

programa hasta obtener las órdenes de salida necesarias. Esta secuencia se ejecuta

continuamente para conseguir el control actualizado del proceso.


44

A este proceso se le conoce como el “SCAN” del PLC y es un parámetro de

especificación importante en un PLC, ya que nos da una idea de la rapidez de

operación de este.

Podemos pensar que este ciclo de rastreo (SCAN) consiste de 3 pasos importantes,

que son:

Revisar el estado de las entradas

Ejecución del programa

Actualizar el estado de las salidas

4.5.1 Revisar el estado de las entradas

El PLC primero chequea cada una de las entradas para determinar si están activadas

o desactivadas. En otras palabras, el PLC se pregunta, ¿Estará el sensor conectado

en la primera entrada? ¿Cómo está el de la segunda entrada? ¿Y el tercero...? y así

sucesivamente.

El PLC guarda estos datos en su memoria para ser usado durante la siguiente etapa.

4.5.2 Ejecución del programa

Después, el PLC ejecuta su programa una instrucción a la vez. Posiblemente el

programa diga que si la primera entrada está activada entonces que se accione la

primera salida. Ya que, desde la etapa anterior, éste ya sabe que entradas están

accionadas o apagadas, será capaz de decidir si la primera salida tendría que

prender basándose en el estado de la primera entrada. Este guardará los resultados

de la ejecución para ser usados más tarde en la siguiente etapa.

4.5.3 Actualizar el estado de las salidas

Finalmente el PLC actualiza el estado de las salidas. Las actualiza de acuerdo a que

entradas estuvieron activadas durante el primer paso y los resultados de la ejecución

de su programa durante el segundo paso. De acuerdo al ejemplo del paso 2 ahora

prendería la primera salida ya que la primera entrada estuvo accionada y su

programa dijo, prender la primera salida cuando esta condición sea verdadera.


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Revisar el estado de

las entradas

Ejecución del

programa

Actualizar el estado

de las salidas

Figura N° 4.7 Ciclo SCAN

4.5.4 Clase de señales en procesos de automatización industrial

Las entradas y salidas de las señales se pueden dividir en dos grupos: señal

analógica y señal digital.

4.5.5 Señal analógica

Las señales analógicas son de tipo continuo, con un margen de variación

determinado. Dichas señales suelen representar magnitudes físicas del proceso,

tales como presión, temperatura, velocidad, nivel, etc., mediante una tensión o

corriente proporcionales a su valor (0-10V, 4-20mA etc.,).( ver figura Nº4.8).

Figura N° 4.8 Señal Analógica; velocidad v/s tiempo

4.5.6 Señal digital


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Las señales digitales en cambio, trabajan con señales, todo o nada, llamadas

también binarias, que solo pueden presentar dos estados o niveles: abierto o

cerrado, conduce o no conduce etc. Estos niveles o estados se suelen representar

por variables lógicas o bits, cuyo valor puede ser solo 1 ó 0, empleando la notación

binaria del álgebra de Boole. ( se muestra en la figura Nº 4.9).

Figura Nº 4.9 Señal Digital; amplitud v/s tiempo

CAPITULO 5

5.1 GX Developer

El GX Developer de Mitsubishi es un paquete basado en Windows, el cual permite a los usuarios crear proyectos en diagramas de contactos para usar con cualquiera de los PLCs de Mitsubish. Ha sido producidor por Mitsubishi Electric para reemplazar al paquete popular basado en DOS “MEDOC”.

5.2 Ventajas del GX Developer

El software del GX Developer se basa en Windows y por lo tanto ofrece muchas ventajas avanzadas incluyendo:

Se puede acceder a todas las funciones del programa desde las barras de herramientas en la consola, así como menús desplegable y claves de acceso directos.

Los diagramas de contactos se pueden introducir rápidamente usando secuencias de entrada rápida o mediante la acción del mouse en online o


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desconectado.

Las modificaciones al programa se puede realizar fácilmente ya sea “online o off-line”. Los cambios se pueden escribir en el PLC mientras esta en modo “RUN”.

El uso ilimitado del portapapeles de Windows permite la edición del programa rápida y eficientemente.

Se dispone de opciones de monitorización avanzadas incluyendo el modo por lote, datos de entrada y monitoreo directo de los contenidos de las áreas de memoria búfer de los módulos de función especial. Los elementos del diagrama de contactos pueden también monitorizarse simultáneamente.

Búsqueda de errores y características de diagnóstico.

Documentación mejorada y ayuda confidencial del contexto.

Se proveen varias herramientas de estructuración del programa de mejoran la legibilidad y viabilidad, particularmente la secuencia en la operación.

Se ofrecen herramienta de documentación del programa. se puede realizar simulación del programa sin la necesidad de ningún hardware PLC.

5.3 Lenguaje de programación

Primero que todo para poder generar un programa que satisfaga una necesidad se

debe conocer el lenguaje ocupado para programar el PLC y los módulos que se

puedan adherir a él. En la actualidad cada fabricante diseña su propio lenguaje de

programación, lo que significa, que existe una gran variedad comparable con la

cantidad de PLC´s que hay en el mercado. Con el objetivo de uniformizar estas

representaciones, se ha establecido una norma internacional IEC 1131-3 que se

encarga de estandarizar los lenguajes de programación.

Lenguaje gráfico: Es la representación basada en símbolos gráficos, de tal forma

que según la disposición en que se encuentran cada uno de estos símbolos y en

conformidad a su sintaxis que lo gobierna, expresa una lógica de mando y control. El

más utilizado es el “Ladder o tipo escalera”.


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5.3.1 Ladder o tipo escalera (KOP)

El sistema de programación Ladder es el más utilizado por facilitar el trabajo a los

usuarios. Los diagramas de escalera son esquemas de uso común para representar

la lógica de control de sistemas industriales. Se le llama diagrama "escalera" porque

se asemejan a una escalera, con dos rieles verticales (de alimentación) y "escalones"

(líneas horizontales), en las que hay circuitos de control que definen la lógica a través

de funciones. Este tipo de lenguaje dispone de una serie de símbolos que son

utilizados por el programador para poder establecer las condiciones que deben ser

procesadas por el autómata en cada momento. Las principales características del

lenguaje Ladder son:(ver figura Nº 6.1).

Instrucciones de entrada se introducen a la izquierda

Instrucciones de salida se situarán en el derecho.

La mayoría de los PLC permiten más de una salida por cada línea.

El procesador (o "controlador") explora peldaños de la escalera de arriba a

abajo y de izquierda a derecha.

Figura Nº 5.1 Ejemplo de Ladder o tipo escalera (KOP)

5.4 Lógica de programación

5.4.1 Algebra de Boole

Muchos componentes utilizados en sistemas de control, como contactores y relés,

presentan dos estados claramente diferenciados (abierto o cerrado, conduce o no


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conduce). A este tipo de componentes se les denomina componentes todo o nada o

también componentes lógicos.

Para estudiar de forma sistemática el comportamiento de estos elementos, se

representan los dos estados por los símbolos 1 y 0 (0 abierto, 1 cerrado). De esta

forma podemos utilizar una serie de leyes y propiedades comunes con

independencia del componente en sí; da igual que sea una puerta lógica, un relé, un

transistor, etc.

Atendiendo a este criterio, todos los elementos del tipo todo o nada son

representables por una variable lógica, entendiendo como tal aquella que sólo puede

tomar los valores 0 y 1. El conjunto de leyes y reglas de operación de variables

lógicas se denomina álgebra de Boole, ya que fue George Boole el que desarrolló las

bases de la lógica matemática.

5.4.2 Funciones lógicas básicas

Cada línea del Ladder posee condiciones de entrada, se observa en la figura Nº 5.2,

las cuales son programadas de acuerdo a las funciones lógicas básicas para

determinar una función de salida.( ver figura Nº5.3).

Figura N° 5.2 Símbolo variable de entrada. Figura N° 5.3 Símbolo de función de

salida.

Además las entradas o sensores se designan con la letra “Xn” y las salidas o

actuadores con la letra “Yn”.

Las funciones lógicas básicas son:

a) AND (Y) o producto lógico:

La función AND (Y) es 1 si la entrada X0 es 1 y la entrada X1 es 1.El símbolo de

operación algebraica para la función AND es el mismo que el símbolo de


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multiplicación de la aritmética tradicional. La función AND puede tener más de dos

entradas, y la salida Y0 es 1 si y solo si todas las entradas son 1. ( ver figura Nº 5.4).

Figura Nº 5.4 función AND

B) OR (O) o suma lógica:

La función OR (O) (también llamada OR inclusive) es 1 si la entrada X0 es 1 o

la entrada X1 es 1 o ambas son 1. El símbolo de operación algebraica para la

función OR es el mismo que el símbolo de suma de la aritmética tradicional

(+).La función OR puede tener más de dos entradas, y la salida Y0 es 1 si al

menos una entrada es 1.( ver figura Nº 5.5)

Figura Nº 5.5 Función OR

C) NOT (inversor) o complemento lógico

La función NOT (NO) invierte la variable de entrada, es decir, cambia ceros

por unos y unos por ceros. Esta operación también se conoce como negación

o complemento lógico. El símbolo algebraico que se utiliza para la operación

NOT es una barra sobre la variable.( ver figura Nº 5.6).

Figura Nº 5.6 Función NOT.

5.4.3 Lógica secuencial


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Figura Nº 5.8 Enclavamiento

La lógica secuencial no depende únicamente del estado actual o momentáneo de las

entradas, como es el caso de los circuitos de lógica combinatoria, sino también de

sus estados previos. Dentro de la secuencia existen elementos de memoria que

guardan el estado de las entradas aun cuando ya hayan conmutado nuevamente a

su estado original. Tales estados son mantenidos hasta que se les ordene

restablecerse.

La lógica secuencial presta mucha ayuda cuando el programa requiere un control de

las secuencias en cuanto al tiempo de ejecución y duración de la rutina y la

frecuencia o repetición de esta.

Las funciones secuenciales ocupadas en el proyecto son:

a) Contadores: permiten la ejecución de la línea de programación la cantidad de

veces que se requiera. Se designa con la letra “C”. (ver figura Nº5.7).

Figura Nº 5.7 Contador ''C2''

b) Enclavamien

Automatización de un equipo de impregnación De...

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