Válvulas proporcionales: una alternativa interesante

Los nuevos productos de automatización permiten la ejecución de procesos usuales, por ejemplo, en el sector biotécnico o en la industria farmacéutica, gracias a la integración de funciones. De este modo es posible reducir significativamente los costes durante la primera instalación, pero también al realizar modificaciones, así como adicionalmente durante el funcionamiento normal. Y estas ventajas no solamente se ponen de manifiesto en los procesos de producción como tales, sino también en relación con la infraestructura necesaria para la producción. La solución desarrollada por una conocida empresa farmacéutica en colaboración con Festo así lo demuestra de manera convincente.

En las instalaciones químicas, farmacéuticas o biotecnológicas deben inertizarse con frecuencia depósitos, reactores, fermentadores, mezcladoras y otros aparatos utilizados en los procesos de producción. Adicionalmente, es necesario ejecutar diversas funciones mediante presión, entre ellas el transporte del material a las estaciones de tratamiento posteriores. Los equipos a cargo de la regulación de presión y caudal deben inertizar el sistema, es decir:

• Cambiar la totalidad del gas (gran caudal) contenido en un depósito
• Superposición de presión (regulación de presión)
• Flujo hacia recipientes y aparatos utilizados en el proceso de síntesis (regulación de la presión)
• Transferencia de material, por ejemplo hacia una centrífuga.

La sofisticación de la tarea aumenta si se tiene en cuenta que es posible que sea necesario aplicar diversos niveles de presión y que, además, se utilicen varios gases diferentes con el fin de ejecutar las tareas previstas. Usualmente se utilizan con ese fin válvulas reguladoras que se instalan directamente junto al depósito, combinándolas con la infraestructura necesaria en cada caso (tuberías, sensores, entradas y salidas en el sistema de automatización correspondiente).

La tecnología de válvulas proporcionales constituye una alternativa interesante para la regulación de gases inertes frente a las soluciones de automatización convencionales, especialmente tratándose de instalaciones modulares que exigen estructuras descentralizadas de automatización. La solución anterior incluía válvulas de regulación convencionales, así como aparatos de medición de caudal y de presión instalados directamente junto al reactor, en zonas con peligro de explosión 2 ó 1.

Con la nueva solución, obtenida en estrecha colaboración con el cliente final, estos componentes están instalados de manera descentralizada en un armario de maniobra, fuera de la zona con peligro de explosión. De esta manera fue posible aprovechar mejor el valioso espacio disponible en la sala limpia del usuario. En vez de las válvulas reguladoras utilizadas antes, ahora se utilizan válvulas proporcionales de Festo. Considerando que en cada sala hay dos reactores, se optó por instalar una estación de gas inerte por cada dos reactores, aprovechando las cortas distancias. Por cada depósito se instalaron una válvula para argón y dos para nitrógeno. La primera cubre un margen de presión desde 0 hasta 2 bar, mientras que la segunda cubre un margen desde 0 hasta 6 bar. Con la variante de 0-2 bar se regulan presiones menores y caudales bajos de manera más precisa, mientras que con la variante de 0-6 bar pueden obtenerse caudales considerablemente mayores. Según su función, las dos válvulas también pueden conectarse en serie. Así primero se produce un llenado rápido y, a continuación, se regula con precisión. Así se garantiza, por un lado, la precisión necesaria en relación con la superposición de presión, mientras que por otro, se pueden alcanzar niveles de caudal suficientemente elevados durante el proceso de inertización, para los que son necesarias presiones iniciales mayores. Adicionalmente se instaló una válvula para controlar la presión de alimentación para la junta deslizante anular de la agitadora. En estos casos suelen utilizarse solamente reguladores manuales de presión.

Las válvulas proporcionales reguladoras de presión están integradas en el terminal de válvulas MPA. Todos los componentes y, además, los grupos de I/O remotas se encuentran en una misma placa, formando así la plataforma de automatización CPX. Lo sensores de caudal también se encuentran en el armario de maniobra, y su señales se transmiten directamente hacia los módulos analógicos del terminal CPX. Un módulo de detección de la presión, también integrado en el sistema, se encarga de medir la presión inicial en la correspondiente parte del equipo. La válvula proporcional detecta directamente la presión alcanzada. En caso de no alcanzarse el nivel de presión inicial necesario, transmite una señal de error. Esta amplia supervisión constituye una mejora considerable de las posibilidades de diagnóstico en comparación con la solución anterior, en la que únicamente se disponía de un presostato a cargo de todo el sistema, instalado en el reductor central de presión. Además, la agrupación de las funciones para dos reactores en un mismo terminal de válvulas ha permitido reducir considerablemente los costes de adquisición e instalación. 

En este proyecto, las estaciones de gas inerte están conectadas a un sistema Siemens-PCS-7. La estación de mando fue configurada como unidad descentralizada, desde la que es posible controlar dos reactores instalados en una misma sala. Las válvulas proporcionales, los terminales de válvulas y los módulos I/O se encuentran en una placa y están conectados a la unidad de control superior a través de Profinet. Se dispone de amplias bibliotecas de controladores para la integración en el sistema de control distribuido. Los controladores de rack y módulos se incluyen y conectan automáticamente por el software del sistema de control central. Por lo tanto, el programador no tiene que intervenir. Dado que los controladores pueden descargarse gratuitamente, la configuración de la plataforma de automatización CPX no implica gastos complementarios, a diferencia de la configuración de las I/O remotas del fabricante.

En la nueva solución, todas las funciones integradas se ejecutan por las estaciones de gas inerte, mientras que en soluciones convencionales se usan con ese fin válvulas reguladoras y unidades de medición de presión y caudal para cada depósito por separado. Las ventajas son evidentes:

• Reducción de la cantidad de canales I/O remotas para funciones de control y confirmación
• Construcción más compacta, lo que constituye una ventaja considerable si se dispone de poco espacio y, además, contribuye a reducir los costes
• Disminución de la infraestructura necesaria para la alimentación de diversos tipos de gases y para la obtención de varios niveles de presión
• Diagnóstico mejorado de cada uno de los componentes y del sistema en su totalidad
• Reducción de los costes de mantenimiento durante todo el ciclo de vida de los equipos, ya que la infraestructura es más sencilla (por ejemplo, en lo que se refiere a las I/O remotas)
• Acceso más sencillo a los componentes instalados en el armario de maniobra
• Posibilidad de utilizar tubos flexibles en vez de tubos rígidos en el caso de los conductos de menor diámetro, lo que implica una correspondiente reducción de costes.

Adicionalmente es posible realizar una evaluación cuantitativa de la reducción de costes (por ejemplo, con el software de la asociación ZVEI), para efectuar comparaciones con tecnologías de alternativa, analizando la rentabilidad y la repercusión monetaria. Este software, que se basa en una tabla Excel, está disponible gratuitamente en la página web de la asociación ZVEI. Permite analizar la totalidad del ciclo de vida de un equipo y verificar su rentabilidad aplicando diversos criterios como, por ejemplo, personal, energía, materiales, entre otros. El valor actual del total de los costes originados durante el ciclo de vida se expresa mediante un valor de descuento financiero parametrizable. Además, es posible llevar a cabo de manera sencilla diversos análisis de sensibilidad (descuento financiero, costes de mantenimiento, entre otros).

El ejemplo demuestra con claridad cuáles son las ventajas que ofrece la integración de funciones. Aunque se trata de apreciaciones más bien conservadoras, las ventajas son evidentes. Con esa nueva aplicación es posible obtener un ahorro hasta un 50% de los costes de inversión en relación con la función correspondiente. La integración de funciones suele implicar diversas ventajas adicionales, entre ellas una reducción de los costes de mantenimiento y mejores posibilidades de diagnóstico, lo que implica un mejor aprovechamiento de los equipos instalados. Estos son factores que difícilmente pueden expresarse en términos monetarios. Los datos que debe introducirse en el software pueden modificarse de manera sencilla, para que se adapte a los intereses de cada usuario.