CEM131492

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS ESTADO DE MÉXICO 
DIVISION DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA MAESTRÍAS EN INGENIERÍA Y CIENCIAS 
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"DISEÑO DE UN SISTEMA EXPERTO QUE SIMULA 
LA OPERACIÓN DE UN HORNO DE FABRICACIÓN 
DE CLINKER" 
TESIS QUE PARA OPTAR EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS EN SISTEMAS DE MANUFACTURA 
PRESENTA 
JUAN ALONSO TISCAREÑO MARTINEZ 
Asesor: Dr. Cuauhtemoc Carbajal Femandez 
Asesor Externo: Dr. Victor Hugo Zárate Silva 
Comité de Tesis: 
Dr. Alejandro Vega Salinas 
Dr. Emil Liebermann Galleguillos 
Jurado: 
Dr. Alejandro Vega Salinas Presidente 
Dr. Emil Liebermann Galleguillos Secretario 
Dr. Victor Hugo Zárate Silva Vocal 
Dr. Cuauhtemoc Carbajal Femandez Vocal 
Atizapán de Zaragoza, Edo. Mex , septiembre de 2000 
3 
RESUMEN 
En un proceso de manufactura complejo, como el caso de la fabricación del cemento, el control 
del mismo no es un asunto trivial. Cuando se actúa sobre el proceso reaccionando a un error ya 
producido, no se puede evitar problemas de estabilidad y dado que la dinámica del proceso es 
compleja, es muy difícil alcanzar el control preciso de las variables críticas. En muchos casos, 
como ocurre con las variables de un horno, no se puede mantener el control automático y hay que 
operarlo manualmente. 
Los métodos directos existentes para determinar los cambios en la temperatura de la zona de 
cocción del horno, como por ejemplo el uso de un pirómetro, no son completamente fidedignos. 
Los métodos indirectos, tal como la medición del momento de torsión del motor que hace girar al 
horno, la cal libre en el clinker, en cierto grado pueden informar sobre cambios en esa 
temperatura. La información basada en la temperatura de la coraza y en la medida de cal libre, 
generalmente está asociada con un apreciable retraso que frecuentemente reduce la utilidad de 
esas mediciones para el control del horno. 
La ausencia durante décadas de una solución satisfactoria para el control automático, motivó la 
introducción en el mercado de los denominados "sistemas expertos". Estos sistemas, a diferencia 
de los de control automático, no generan la actuación sobre el proceso mediante una ley 
matemáticamente definida, sino que tratan de identificar situaciones determinadas de operación 
y actuar en ellas aplicando reglas. Dichas reglas en la práctica se derivan tratando de imitar la 
actuación del operador experto. 
El presente trabajo presenta el diseño de un emulador de la actuación de un operador experto de 
un horno. Se creó un algoritmo de lógica difusa que cuenta con 9 variables de entrada, 4 
variables de salida y 66 reglas agrupadas en 6 bloques principales. 
Adicionalmente, el algoritmo de control (el conjunto de reglas) fue validado o comparado con la 
operación del horno de otro fabricante: Cementos Moctezuma cuya planta se encuentra ubicada en el 
Municipio de Emiliano Zapata en Morelos. La comparación mostró que el algoritmo es válido 
también para hornos más modernos como es el caso de este último. 
CONTENIDO 
RESUMEN 
LISTA DE FIGURAS 
LISTA DE TABLAS 
LISTA DE ABREVIA TURAS 
INTRODUCCIÓN 
ANTECEDENTES 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
CAPÍTULO 1.- PROCESO DE MANUFACTURA DEL CEMENTO 
1.1 HISTORIA DEL CEMENTO 
1.2 FABRICACIÓN DEL CEMENTO 
1.3 RESUMEN DEL CAPITULO 
CAPÍTULO 2.- EL HORNO ROTATORIO 
2.1 FUNCIONAMIENTO DEL HORNO ROTATORIO 
2.1.1 Historia 
2.1.2 Transporte del Material 
2.1.3 Transporte de Gases 
2.2 EL HORNO BASÁNDOSE EN EL PERFIL DE TEMPERA TURAS 
2.2.1 Introducción 
2.2.2 Zona de Calcinación (CZ) 
2.2.3 Zona de Calentamiento (HZ) 
2.2.4 Zona de Fase Líquida (LZ) 
2.2.5 Zona de Temperatura Máxima (MZ) 
2.2.6 Zona de Enfriamiento (AZ) 
3 
7 
8 
9 
10 
10 
13 
14 
14 
16 
16 
17 
17 
18 
18 
19 
20 
21 
21 
22 
2.2.7 Formación de Costra 23 
2.2.8 Relación entre las Zonas del Modelo, el Perfil de Temperatura y la 
Aptitud de Cocción 24 
2.3 RESUMEN DEL CAPITULO 24 
CAPÍTULO 3.- PARAMETRIZACIÓN DEL CONTROL DEL HORNO 
3.1 HISTORIA DEL CONTROL EN LAS FABRICAS DE CEMENTO 
3.2 ESTRATEGIAS DE CONTROL 
25 
27 
4 
3.3 INSTRUMENTACIÓN EN EL HORNO 
3.3.1 Diseño del control 
28 
29 
3.3.2 Intervención del análisis de los gases residuales para el control del horno 30 
3.4 CONTROL INDIVIDUAL DE CADA PARÁMETRO 31 
3.4.1 Monóxido de carbono 31 
3.4.2 Control de la composición química de la alimentación del horno 31 
3.4.3 Control de dosificación de la harina cruda al horno 32 
3.4.4 Control del combustible 32 
3.4.5 Control del tiro del horno 32 
3.4.6 Control del conjunto del proceso 33 
3.4.7 Acciones por parte del operador 37 
3.5 RELACIÓN ENTRE LA OPERACIÓN DEL HORNO DE CEMENTO Y EL 
CONTENIDO DE NOx EN LOS GASES DE HUMO DEL HORNO 37 
3.5.1 Introducción 37 
3.5.2 Emisiones de NOx en el proceso de clinkerización 38 
3.5.3 NOx termal 39 
3.5.4 NOx inmediato 39 
3.5.5 NOx combustible 40 
3.5.6 Momento de torsión y Nox 42 
3.5.7 Cal Libre y Peso por Litro en Función del Nox 43 
3.6 RESUMEN DEL CAPÍTULO 44 
CAPÍTULO 4.- SISTEMAS EXPERTOS Y RESUMEN DEL PROYECTO 
4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EXPERTOS 
4.1.1 Características de un sistema experto 
4.1.2 Adquisición de la experiencia 
4.1.3 Representación del conocimiento 
4. 1.4 Aplicación del conocimiento 
4.1.5 Explicación de soluciones 
4.2 PRINCIPIOS DE LÓGICA DIFUSA 
4.2.1 Tipos de incertidumbre 
4.2.2 Lógica difusa como lógica humana 
4.2.3 Conjuntos difusos 
4.2.4 Ejemplo de aplicación 
4.3 CONTROLADORES DIFUSOS 
4.3.1 Fusificación 
4.3.2 Base de Conocimiento (Reglas e Inferencia) 
4.3.3 Defusificación 
4.4 DISEÑO DEL SISTEMA EXPERTO DIFUSO 
4.4.1 Criterios Generales de Diseño 
4.4.2 Requerimientos 
4.4.3 Restricciones 
4.4.4 Reglas 
4.5 APLICACIÓN DE UN SOFfW ARE DE SIMULACIÓN 
46 
46 
47 
47 
47 
48 
48 
48 
48 
49 
50 
50 
50 
51 
51 
54 
54 
56 
56 
57 
58 
5 
6 
4.6 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 59 
4.7 RESUMEN DEL CAPÍTULO 61 
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 62 
BIBLIOGRAFÍA. 63 
ANEXOS 
ANEXO A 64 
ANEXOB 68 
ANEXOC 77 
ANEXO O 78 
ANEXO E 79 
ANEXOF 80 
7 
LISTA DE FIGURAS 
Fig. 1. Sección Longitudinal del Horno Ransome 16 
Fig.2. Sección Transversal del Horno Ransome 16 
Fig. 3. Camino que Sigue el Material en el Horno 17 
Fig. 4. Diagrama Esquemático de las Zonas en el Horno 19 
Fig. 5. Zonas del Horno en Relación con la Velocidad de Formación de Alita 22 
Fig. 6. Evolución del Control en las Fábricas de Cemento 27 
Fig 7. Relación entre el NOx y el Momento de Torsión (horno largo de Vía Húmeda) 42 
Fig 8. Relación entre el NOx y el Momento de Torsión (horno con Precalentador de 1 etapa) 43 
Fig. 9. Relación entre el NOx y la Cal Libre 44 
Fig. 1 O. Relación entre el NOx y el Peso 44 
Fig. 11. Conjunto Difuso 49 
Fig. 12. Grado de Probabilidad de Ocurrencia de una Temperatura 49 
Fig. 13. Niveles Difusos 50 
Fig. 14. Niveles Difusos para el NOx. 51 
Fig. 15 Función de Pertenencia para Cal Libre 68 
Fig. 16 Función de Pertenencia para CO 69 
Fig. 17 Función de Pertenencia para Combustible l 69 
Fig. 18 Función de Pertenencia para Corriente de Motor 70 
Fig. 19 Función de Pertenencia para Crudo 71 
Fig. 20 Función de Pertenencia para Magnitud NOx 71 
Fig. 21 Función de Pertenencia para Oxígeno 72 
Fig. 22 Función de Pertenencia para Temperatura de Coraza 73 
Fig. 23 Función de Pertenencia para Tendencia NOx. 73 
Fig. 24 Función de Pertenencia para Aire 74 
Fig. 25 Función de Pertenencia para Combustible Salida 75 
Fig. 26 Función de Pertenencia para Combustible 2 75 
Fig. 27 Función de Pertenencia para Crudo Salida 76 
7 
LISTA DE TABLAS 
1. Emisiones gaseosas producidas por el hombre 
2. Emisiones gaseosas producidas por la naturaleza 
3. Estadísticas del Proyecto 
4. Variables Lingüísticas 
5. Base de Variables 
6. Interfaces 
7. Reglas del l3Ioque l 
8. Reglas del Bloque 2 
9. Reglas del Bloque 3 
!O.Reglas del Bloque 4 
11.Reglas del Bloque 5 
12.Reglas del Bloque 6 
13.Puntos de Definición "CAL LIBRE" 
14.Puntos de Definición "CO"15.Puntos de Definición "COMB l" 
16.Puntos Definición de "CORRIENTE MOTOR" 
17 .Puntos de Definición "CRUDO" 
18.Puntos de Definición "MAGNITUD NOx" 
19.Puntos de Definición "OXIGENO" 
20.Puntos de Definición "TEMP COR" 
21.Puntos de Definición "TENDENCIANOx" 
22.Puntos de Definición "AIRE" 
23.Puntos de Definición de "COMB lSAL" 
24.Puntos de Definición de "COMB2" 
25.Puntos de Definición "CRUDOSAL" 
38 
38 
54 
55 
55 
56 
63 
63 
63 
64 
65 
66 
67 
68 
68 
69 
70 
71 
71 
72 
72 
73 
74 
75 
75 
8 
9 
LISTA DE ABREVIACIONES 
cz 
HZ 
LZ 
MZ 
AZ 
co 
NOx 
PLC 
LSF 
Ms 
MA 
PID 
S02 
Ca O 
NH3 
Al 
ppM 
COMBI 
CORRIENTEMOTOR 
CRUDO 
MAGNITUDNOx 
TEMPCOR 
AIRE 
COMBISAL 
COMB2 
CRUDOS AL 
Compute MBF 
CoM 
MIN 
MAX 
PROD 
LV 
MBF 
RB 
Zona de Calcinación 
Zona de Calentamiento 
Zona de Fase líquida 
Zona de Temperatura máxima 
Zona de Enfriamiento 
Monóxido de Carbono 
Óxidos de Nitrógeno 
Control Lógico Programable 
Desviación típica del grado de saturación de cal 
Desviación típica del módulo de sílice 
Desviación típica del módulo de alúmina 
Controlador Prorporcional, Integral, Derivarivo 
Bióxido de Azufre 
Óxido de Calcio, Cal Libre 
Amoniaco 
Inteligencia Artificial 
Partes por Millón 
Combustóleo inyectado en el horno rotatorio 
Corriente eléctrica consumida por el motor que hace rotar el horno 
Volumen de material crudo que pasa por el horno 
Volumen de óxidos de nitrógeno 
Temperatura de la coraza del horno. 
Porcentaje de abertura de las persianas. 
Combustóleo alimentado al horno rotatorio 
Litros por hora de gas natural inyectados al prehomo 
Materia prima introducida al horno 
Metodo de fuzificacion 
Center of Maximum (Metodo de Defuzificación) 
Operador Fuzzy para Agregacion ANO 
Operador Fuzzy para Agregacion OR 
Operador Fuzzy por Composicion 
Variable Linguistica 
Función de pertenencia 
Bloque de R 
10 
INTRODUCCIÓN 
ANTECEDENTES 
El proyecto de la presente tesis se desarrolló en Cementos Anahuac S.A. de C.V. Específicamente, el 
proyecto trata sobre un algoritmo de control que facilitaría eventualmente el manejo de los hornos. 
Muchas de las variables que intervienen en este proceso (el de cocción del cemento) necesitan estar 
controladas; estas variables incluyen, la alimentación de combustible, la alimentación de crudo, la 
rotación del horno, entre otras, necesitan estar dentro de un rango manejable independientemente de 
las perturbaciones que pueda sufrir el proceso, para que el horno pueda ser operado adecuadamente. 
La compañía está instalando un moderno equipo que mostrará estas variables al operador de una 
manera más eficaz. Pero la operación seguirá siendo básicamente manual. 
Aparte de lo anterior, el operador del horno observa las variables del horno tales como temperaturas, 
velocidad de giro, volumen de alimentación de crudo, alimentación de combustible, niveles de 
oxígeno, NOx, CO, consumo de energía eléctrica del motor de giro, etc. En base a sus observaciones 
y a su experiencia, el operador trata de mantener un funcionamiento estable del horno manejándolo 
manualmente. El algoritmo de control que propone esta tesis tiene la misión, utilizando lógica difusa, 
de simular las acciones de un operador experimentado. 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
La historia del control aplicado a la fabricación de cemento comienza a partir de los primeros 
computadoras. Los modelos basados pura y simplemente en conceptos de ingeniería del proceso no 
dieron resultado, si bien -en el extremo contrario- tampoco lo dieron los basados en conceptos 
únicamente de carácter estadístico. [ 1] 
Esta falta de éxito se conecta estrechamente con el hecho de que el proceso de cocción del cemento 
se centra en el interior del horno rotatorio y éste continúa ahora siendo pobremente accesible para las 
mediciones. Dos filosofías han avanzado últimamente. Una de ellas se esfuerza en simular las 
acciones de la sala de control; la otra pretende, usando balances energéticos, hacer visible el proceso 
del horno y, por lo tanto, controlable. El problema del control automático del horno sigue siendo un 
desafío.[ 1] 
Una importante cantidad de problemas viene asociados con la tendencia del horno rotativo a formar 
acumulaciones de energía y material. El almacenaje de material proviene de la formación de 
pegaduras o costras en la superficie interna del horno. La subsiguiente despegadura y colapso de las 
adherencias suelen constituir serias perturbaciones en el proceso. 
11 
Los objetivos de control que se proponen son: seguridad de operación, calidad deseada del clinker 
y mínimos costos de producción. Basados en estos objetivos y en la experiencia de los operadores 
de la compañía, se puede llegar a las siguientes conclusiones: 
1. La calidad del clinker depende de las temperaturas de las dos zonas principales de 
cocción en el horno. Así pues, si dichas temperaturas se mantienen a un nivel correcto, 
se alcanzará la calidad deseada. 
2. La máxima producción se alcanza fijando la consigna de caudal de crudo al nivel 
máximo de producción que especifica el diseño del horno. 
3. El mínimo costo de producción se alcanza minimizando el tiempo de paradas por 
averías y reparaciones programadas. 
Estos objetivos son válidos si el horno está trabajando bajo condiciones normales. Si la operación 
es anómala, debido a alguna perturbación, el objetivo del control será precisamente alcanzar las 
condiciones de funcionamiento normal. Con este fin, el controlador debe detectar, usando toda la 
información disponible procedente del horno, qué clase de anormalidad está presente y debe 
ejecutar las acciones adecuadas que permitan alcanzar el estado normal de operación. 
Como ya se ha mencionado, el control de un horno de fabricación de cemento es algo 
extremadamente difícil, aunque últimamente se han desarrollado técnicas de control basadas en 
lógica difusa que han logrado controlar este sistema con algún éxito. Teniendo en mente los 
objetivos del diseño del control citados arriba, se propondrá un algoritmo que simule la 
operación del horno. 
El primer objetivo de operación es trabajar bajo condiciones seguras, esto es, mantener los niveles 
de monóxido de carbono y la temperatura de la coraza del horno en orden. El segundo, producir 
dentro de los requerimientos de calidad exigidos y el tercero, llevar el rendimiento del horno a los 
niveles normales. Lo anterior se logra manteniendo condiciones estables de funcionamiento. Esto 
quiere decir que es más provechoso trabajar el horno de una forma estable durante un largo 
periodo de tiempo aunque para ello se varíe la producción de clínker. 
En los últimos 20 años, gran cantidad de fabricantes de cemento ha optado por mejorar el control 
de los hornos, o de una vez, instalar fábricas más modernas con sistemas de control distribuido. 
Se ha demostrado que al lograr una marcha estable, se han producido importantes ahorros en 
consumo de combustible ( del 3 al 10% ), en el consumo de energía eléctrica ( del 3 al 7% ), en 
aumento de producción (del 3 al 5% ), aumento de uniformidad de la calidad del clínker (del 30%) 
y un aumento en la vida del refractario ( del 30 al 70% ). Las cifras de mejora varían bastante por 
la naturaleza inestable del proceso y por la variedad de suministradores de sistemas de control. 
Tomando en cuenta lo anterior, se puede esperar apreciables ahorros en la operación del horno si 
adopta un control como el que propondría la presente tesis.[2] 
Traducidos los datos anteriores a dinero constante y sonante, por cada 1 o/o de ahorro de 
combustible implicaría reducir el costo en 7 ,250 dólares americanos por mes y por horno. Si se 
toma un aumento en la longevidad del refractario del orden del 20%, se tendría un ahorro de 
aproximadamente 4,500 dólares por mes por horno.[3] 
El contenido de la presente tesis se divide básicamente en cinco partes o capítulos. El primer 
capítulo trata brevemente sobre la historia del cemento y describe en términos generales la 
fabricación del mismo. El segundo capítulo analizael proceso de cocción del cemento desde el 
punto de vista termodinámico y se ven otras características como el "encostramiento" interno del 
horno. En el tercer capítulo se aborda el tema del control del horno y las variables involucradas en 
12 
él. En el cuarto capítulo se explica lo que son los sistemas expertos y la lógica difusa que es la 
estrategia de control utilizada en este proyecto. Además, se describe el núcleo del proyecto: los 
universos de discurso de las variables y los bloques de reglas. Seguidamente, planteamos nuestras 
conclusiones de nuestro trabajo. Finalmente, incluimos las referencias bibliográficas consultadas, 
así como los documentos en anexos. 
Nota: Si hay dudas con alguna abreviación, favor de consultar el Glosario de Términos. 
13 
CAPÍTULO l. 
EL PROCESO DE MANUFACTURA DEL CEMENTO 
1.lHISTORIA DEL CEMENTO 
La arquitectura empezó a emplear la fundición y el hierro hacia principios del siglo XIX, la 
primera para elementos sometidos a cargas de compresión (pilastras), el segundo en elementos 
estructurales sujetos a cargas de flexión (vigas). Pero hacia finales de siglo, el cemento armado, 
un hallazgo que unía el cemento con el hierro, determinó una auténtica revolución de los métodos 
de construcción. 
Cemento es un término que viene del latín cementum, que significa "piedra", trozo de piedra. 
Actualmente, por el contrario, suele indicar una materia "ligante" especial que se obtiene por 
calcinación de calizas que contienen más de 20% de arcilla y que, amasada con agua, después de 
un tiempo más o menos largo, adquiere una dureza y resistencia parecidas a la de una piedra dura. 
Este fenómeno de endurecimiento se llama "fraguado" y también se verifica para la cal que, 
como se sabe, se obtiene de la caliza común, que es carbonato de calcio, si se calienta en hornos 
especiales. De esta forma, la caliza se convierte en óxido de calcio, o sea en cal viva, que 
"apagada" con agua, se convierte en cal común. Ésta mezclada con arena o, según un empleo en 
vías de desaparición, con puzolana -material de origen volcánico llamado de esta manera porque 
las canteras más famosas se encuentran cerca de Pozzuoli- constituye el mortero que fragua y es 
una materia ligante enormemente eficaz. 
El cemento como ligante capaz de fraguar también dentro del agua, fue inicialmente producido 
con una marga (tierra calcárea-arcillosa) que se obtenía en el territorio de Portland en Inglaterra, 
y por eso al principio se le llamó -y algunas veces se le sigue llamando- cemento Portland. Pero 
muy pronto la industria encontró en todos los países del mundo margas aptas para la fabricación 
del cemento. Como material de construcción, el cemento es cada ves más necesario, y su 
fabricación a puesto en marcha una importantísima actividad industrial. 
El cemento Portland está formado por término medio, por el 67% de cal viva, el 23% de óxido de 
silicio, el 8% de alúmina y óxido de hierro y el 2% de otros componentes. A la mezcla se le da 
homogeneidad por medio de molienda y mezcla en presencia de vapor acuoso o amasándola con 
agua, después se calienta en hornos giratorios especiales y después se muele muy fino. Llegados 
a este punto, el cemento está listo para su empleo. La puesta en obra se produce en dos fases 
sucesivas: el fraguado y el endurecimiento; el tiempo necesario para le fraguado es para el 
cemento Portland, de unas l l horas, mientras que el periodo de endurecimiento se divide en dos 
fases: durante los primeros 28 días, aproximadamente, el cemento alcanza el 60-70% de su 
resistencia, y en los 8 meses sucesivos completa el proceso. Las reacciones químicas que 
14 
intervienen en todos estos procesos no se conocen con detalle; en especial, se desconocen las 
reacciones del cemento en presencia de agua. Hoy día, el amasado del hormigón está mecanizado 
casi por completo; lo realizan hormigoneras rotatorias especiales llamados "de vaso" por su 
forma. [4] 
1.2 FABRICACIÓN DEL CEMENTO 
Al final de esta tesis hay un diagrama donde se muestra gráficamente el proceso de fabricación. 
El proceso consiste en reducir a polvo las materias primas, calcinarlas y transformarlas en 
cemento Portland. Se inicia con la selección de las canteras que contienen dos de las materias 
básicas: caliza y arcilla. 
1.2.1 MATERIAS PRIMAS 
La cantera de Cementos Anáhuac S.A. de C.V., se encuentra localizada en "Cerro Jardín", 
Hidalgo, en el poblado de Coayuca. De aquí se extraen las dos materias primas que se utilizan en 
la fabricación del cemento. 
La arcilla y la caliza se reciben en la planta, vía góndola de ferrocarril, donde son descargadas por 
gravedad y se deposita el material sobre bandas transportadoras, hasta un almacén cerrado. Las 
otras materias primas (hierro, puzolana y yeso) se reciben en la planta vía camiones; descargan 
los materiales a una tolva, de ahí a bandas transportadoras, hasta sus respectivos silos de 
almacenamiento. 
1.2.2 MOLIENDA DE MATERIA PRIMA 
La arcilla, la caliza y el mineral de hierro cuidadosamente dosificados, se introducen a los 
molinos para obtener una arena fina, a la cual se le llama "crudo". La molienda se efectúa en 
circuito cerrado: el material al salir del molino, pasa a los separadores centrífugos, los cuales 
separan el material fino que es enviado como producto terminado y el grueso retoma al molino, 
para que se efectúe un nuevo ciclo de molienda. El secado de las materias primas utilizadas se 
efectúa en los mismos molinos, o bien en turbo separadores. Los molinos son grandes cilindros 
giratorios revestidos con gruesas placas de acero, utilizando en su interior bolas de acero forjado, 
que andan sueltas en el interior del molino y producen la molienda por impacto, trituración y 
fricción, ocasionadas por el efecto del giro del molino. 
Una vez obtenida la harina cruda, se deposita en un silo de homogeneización de proceso 
continuo, con el fin de garantizar un producto con una calidad uniforme. Este proceso se lleva a 
cabo mediante la inyección de aire comprimido en el fondo del silo, lo cual permite que las 
diferentes capas y calidades de material se mezclen. Del silo de homogeneización, el crudo puede 
ir directo a las tolvas de los hornos o al silo de almacenamiento. 
15 
1.2.3 CALCINACIÓN 
En este proceso el crudo se somete a elevadas temperaturas, que originan reacciones químicas y 
dan lugar a la obtención de "clinker". 
El proceso de calcinación se inicia en la parte superior de las torres de intercambio térmico, 
formadas por una serie de ciclones y duetos; en su interior se logra la transferencia de calor entre 
el material alimentado y los gases calientes que provienen del horno. 
El material al terminar su recorrido por la torre, alcanza una temperatura que fluctúa entre los 
800º y 900º C, originando la descarbonatación parcial de la qarina cruda. El material avanza 
dentro del horno gracias a la ligera inclinación y giro de éste. En el horno se efectúan las 
principales reacciones químicas que dan lugar a la formación de los compuestos potenciales del 
clinker. Estas reacciones se efectúan a una temperatura de 1450º C. 
Para asegurar la calidad del clinker, es necesario que sea enfriado rápidamente, lo cual se logra en 
un enfriador de parillas tipo reciprocantes, en el que se inyecta aire por medio de ventiladores. 
Este aire en contacto con el clinker, se calienta y es aprovechado para la combustión. El clinker 
antes de ser almacenado, es triturado por medio de un molino de martillos a tamaños máximos de 
1 1/2 pulgadas y es enviado a un almacén cerrado. 
1.2.4 MOLIENDA DEL CEMENTO 
En esta parte del proceso se obtiene el cemento y se inicia con al dosificación de clinker y yeso a 
los molinos de bolas. Para elaborar el cemento tipo 1 Normal, se emplea el clinker como 
componente principal y el yeso para regular el fraguado. Para el cemento "puzolánico" se agrega 
a las materias primas antes citadas, la arena volcánica denominada "puzolana". 
Por último, el cemento es envasado en sacosde 50 Kg o enviado a granel a los clientes. [5] 
1.3 RESUMEN DEL CAPITULO 
El cemento es el material de construcción más importante del mundo actual: ha desplazado a la 
arcilla (y sus sucedáneos) y la piedra. Se dice que lo inventaron los romanos hace más de 2000 
años pero su utilización no era tan común como hoy, dado que era relativamente caro. 
Sus materias primas son la arcilla, la piedra caliza y óxidos de hierro. Estas son molidas y 
mezcladas en proporciones precisas para después pasar al horno. El producto del horno se muele 
y se le adiciona yeso para después envasarse o enviarse a silos de almacenamiento. El horno es el 
corazón del proceso siendo su correcto manejo parte crucial para un desempeño sano de la 
compañía. 
16 
CAPÍTULO 2 EL HORNO ROTATORIO 
2.1 FUNCIONAMIENTO 
2.1.1 HISTORIA 
Frederik Ransome introdujo el horno rotatorio en la industria del cemento en el siglo pasado. 
Ransome patentó su invención, primero en Inglaterra y después en EE.UU. En las figuras l y 2 
se reproduce el dibujo del horno anexo a la patente de Ransome. Ese horno estaba calentado por 
gas pues entonces no se conocía la combustión por carbón. Más tarde se utilizó la combustión por 
petróleo hasta que finalmente, predominó la combustión por carbón. 
Las dimensiones del primer horno rotatorio para cemento eran 1.80-2.0 m de diámetro, para una 
longitud de unos 20-25 m con caudales de 30-35 ton/24 h. Como se advierte en la representación, 
de la sección transversal del horno, Ransome aplicó ya ladrillos elevadores de material para 
conseguir la mejor transmisión del calor entre los gases y el material. Decenios más tarde tales 
ladrillos elevadores encontraron aplicación renovada en el horno para cemento. [5] 
,----
Fig. 1. Sección Longitudinal del Horno Ransome[5] 
--
···-~·--··--
Fig. 2. Sección Transversal del Horno Ransome[5] 
17 
Los hornos actuales están compuestos por un cilindro de 80 m de largo aproximadamente y una 
serie de componentes adicionales, como precalcinador y enfriadores. Se distinguen, en un horno, 
dos subprocesos principales: 
1. Transporte de material 
2. Transporte de gases 
En los anexos hay diagramas de un horno típico para fabricar cemento. 
2.1.2 TRANSPORTE DE MATERIAL 
El material crudo se alimenta por la torre de precalentamiento, donde los gases calientes 
intercambian calor con él. El precalcinador utiliza los gases residuales de la combustión, en una 
primera fase de calentamiento del material crudo. Posteriormente, el crudo es introducido en el 
horno, donde se calienta hasta alcanzar la temperatura de sinterización necesaria para producir el 
clínker. El avance del crudo por el horno se realiza mediante un efecto combinado de la gravedad 
y la rotación del tubo. En la parte final del horno se encuentra un intercambiador que, 
recuperando el calor del clínker y pasándolo al aire secundario, enfría el mismo. La dinámica de 
este proceso es extremadamente lenta, del orden de 20 minutos. [6] 
2.1.3 TRANSPORTE DE GASES 
El aire de combustión entra al horno por el mechero principal, también entra aire al horno por los 
enfriadores, donde el calor residual del clínker se recupera. A lo largo del horno y del 
precalcinador, los gases calientan al crudo, el cual fluye en contracorriente. El aire entra en el 
horno por dos vías, el mechero principal y los enfriadores. La dinámica de este subproceso es 
mucho más rápida que la del subproceso anterior, del orden segundos. [6] 
Fig.3. Camino que Sigue el Material en el Horno 
18 
2.2 MODELO DEL HORNO BASÁNDOSE EN EL PERFIL DE 
TEMPERA TURAS 
2.2.1. INTRODUCCIÓN 
A partir de la experiencia práctica, se puede dividir el proceso de cocción de clinker en 5 zonas: 
1. Calcinación (CZ). 
2. Calentamiento (HZ). 
3. Fase líquida (LZ). 
4. Temperatura máxima (MZ). 
5. Enfriamiento (AZ). 
En conjunto, la de calentamiento, fase líquida y temperatura máxima forman la zona de cocción. 
Naturalmente, estas zonas no se distinguen con límites bien definidos, sino que vienen 
caracterizadas por los procesos físicos y químicos más marcados que ocurren en el material en 
cada zona. 
La transformación de la harina cruda en clinker comprende varios procesos que se producen en 
función de la temperatura al pasar el material por el sistema de clinkerización. 
Con el fin de obtener un flujo de clinker estable, con propiedades uniformes y pronosticables, con 
un consumo mínimo de energía y sin que el horno o el enfriador tengan averías costosas, es 
indispensable conocer cuáles son los parámetros en los procesos, las propiedades del clinker y del 
cemento y el rendimiento del material que pasa por el horno y el enfriador. Los procesos son 
tanto químicos como físicos. Varios de ellos ocurren simultáneamente y, además, hay 
interacciones entre los procesos. 
Las reacciones químicas determinan la formación de los minerales hidráulicos alita, belita, 
aluminato y ferrita. Las propiedades del cemento no sólo dependen del contenido potencial de 
estos minerales en el clinker, sino también del grado en que ocurran las reacciones que producen 
esos minerales. 
En este orden de ideas, un parámetro de suma importancia es la aptitud de cocción de la harina 
cruda, que determina el nivel de temperatura necesario para la clinkerización durante el tiempo 
que el material permanece en la zona de cocción. El tiempo en que el material permanece en la 
zona de clinkerización depende de las dimensiones del horno, de la velocidad de rotación del 
horno y de la longitud de la zona de clinkerización. 
La formación de clinker se refiere a los procesos de aglomeración física, que bajo condiciones 
favorables resultan en gránulos de clinker de 2 a 20 mm de diámetro. Este tamaño de grano es 
adecuado para tratamiento en el enfriador y, normalmente, muestra una molturabilidad 
satisfactoria. Los problemas con el control en el tamaño de grano del clinker no influyen 
necesariamente en la calidad del cemento final, pero con frecuencia ocasionan dificultades en la 
operación del horno y en el enfriador y también puede resultar en un producto con una 
molturabilidad difícil. [7] 
1800 -
1600 -
1400 -
1200 -
1000 -
800 -
20 
10 
ºC 
Temperatura 
del gas 
% de Fase Líquida 
Temperatura 
del material 
cz HZ LZ MZ 
Fig. 4. Diagrama Esquemático de las Zonas en el Horno 
2.2.2 ZONA DE CALCINACIÓN 
19 
AZ 
En la zona de calcinación o descarbonatación se produce la descarbonatación de los carbonatos 
en la harina cruda y también puede formarse una cantidad considerable de C2S. 
20 
El dióxido de carbono se disocia de la alimentación al horno y es arrastrado por los gases del 
humo del horno. La alimentación al horno no está totalmente calcinada antes de entrar a la zona 
de cocción, es difícil de cocer y constituye un origen considerable de perturbaciones en el horno. 
De esa manera, una calcinación completa de la alimentación al horno antes de que entre en la 
zona de cocción es una condición para obtener una operación apropiada del horno. 
Simultáneamente con la calcinación de la caliza, se produce la formación de cal libre. Esto es un 
proceso que puede ser verificado sacando muestras de la carga del horno a lo largo de la zona de 
calcinación. También puede tener lugar una formación considerable de C2S en la zona de 
calcinación . A pesar de que la formación de C2S desprende un poco de calor, el proceso total de 
descarbonatación requiere una gran cantidad de calor y, por consiguiente, la temperatura del 
material de esa zona sólo aumenta lentamente hasta unos 900º C, pero una vez expulsado todo el 
C02, la temperatura aumenta rápidamente. 
Las partículas de CaC03 presentes en la superficie de la carga del horno, que todo el tiempo son 
renovadas por el movimiento físico causado por la rotación del horno, son calcinadas bastante 
rápidamente. Sin embargo, la mayor parte de las partículas se encuentran por debajo de la 
superficie donde están fuera del alcance del calor radiante y donde la presión parcial de C02 es 
relativamentealta, puesto que el C02 expulsado tiene que forzarse arriba de la carga del horno. 
Esta presión puede resultar tan alta que fluidiza la harina cruda de manera tal que ésta actúa como 
si estuviese hirviendo y fluye rápidamente por el horno. Puesto que tales flujos de material 
consisten en su mayor parte de material no calcinado con una demanda elevada de calor, pueden 
ser responsables de causar un enfriamiento rápido, y no deseable, de la zona de cocción del 
horno. [7] 
2.2.3 ZONA DE CALENTAMIENTO 
Al final de la zona de calcinación, la temperatura del material ha alcanzado unos 900º C. La 
próxima zona, que se extiende hasta el comienzo de la zona de sinterización de 1330º C, 
aproximadamente, se denomina la zona de calentamiento o de transición (HZ). Esta zona está 
situada dentro del horno, directamente detrás de la llama, donde la carga del horno tiene un color 
oscuro. Además, es el área del horno donde una tercera parte, aproximadamente, de la costra está 
situada en la superficie del revestimiento refractario. 
La zona de calentamiento viene caracterizada por un aumento rápido de la temperatura de la 
carga del horno, cuando el proceso de calcinación se termina y las fases intermedias se forman. 
De esta forma, las reacciones entre CaO y Alz03 y entre CaO y Fe20 3, de las partículas de cal y 
de arcilla que ya empezaron en el precalentador, y la zona de calcinación, continúan en la zona de 
transición con la formación de varios compuestos diferentes que son estables sólo dentro de 
estrechos intervalos de temperaturas. 
Debido a la falta de reacciones endotérmicas, las temperaturas aumentan rápidamente dentro de 
esta zona. Cuando la temperatura ha aumentado lo suficiente, normalmente hasta l 300- l 350ºC, 
de repente sobre una distancia corta del horno se forma una cantidad importante de fase líquida, o 
fase fundida, terminando así la zona de calentamiento. Este punto se puede identificar cuando se 
inspecciona la parte interior del horno durante paradas como el punto donde empieza la 
formación de la costura dura y densa. [7] \7,· 
1 
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21 
2.2.4 ZONA DE FASE LÍQUIDA 
La zona de fase líquida (LZ) empieza a temperaturas de 1300-1350º C, cuando se forma la fase 
líquida, que normalmente sucede rápidamente. El contenido de fase líquida aumenta muy poco 
cuando la temperatura aumenta. Normalmente, tampoco las propiedades de la fase líquida 
cambian de una manera importante con el aumento de la temperatura, aunque la viscosidad 
disminuye un poco. 
La zona de fase líquida es la zona más importante en lo que se refiere a la nodulación del clinker. 
Mientras se forma la fase líquida, empieza la nodulación del clinker. La formación de los nódulos 
y su tamaño depende de la cantidad y las propiedades de la fase líquida, la distribución por 
tamaño de las partículas sólidas en la alimentación y el tiempo que el material permanece en la 
zona de fase líquida. 
La fase fundida cambia la consistencia de la carga, ya que la superficie de las partículas sólidas se 
pone pegajosa por el material fluido que actúa como aglutinante. El rozamiento interno de la 
carga aumenta y la velocidad de movimiento disminuye, con el resultado de que el volumen de la 
carga aumenta. El material actúa como en un tambor de nodulación, formándose en nódulos 
redondos que aumentan de tamaño, capa por capa. 
Al mismo tiempo que se forma la fase líquida, también empieza la formación de C3S. Mientras la 
temperatura del material es relativamente baja, también la velocidad de formación de C3S es baja, 
pero debido al aumento de la temperatura a lo largo de la zona de fase líquida, la velocidad de la 
formación de C3S aumenta cada vez más. 
La nodulación empieza por enlace de capilaridad en que las partículas individuales vienen 
mantenidas juntas por líquido. Debido a que los módulos no pueden formarse cuando el tamaño 
de las partículas es superior a un tamaño crítico, el crecimiento de los cristales de C3S y su 
aglomeración por sinterización a formar partículas grandes que exceden a un tamaño crítico, 
impedirá la formación de nuevos nódulos tanto la formación de los ya existentes. En este punto se 
termina la zona de fase líquida. 
En resumen, para asegurar una buena nodulación, es de suma importancia que la zona de la fase 
líquida sea suficientemente larga. La longitud relativa de las zonas se puede cambiar modificando 
el perfil de temperaturas o las características de la harina cruda con respecto a la aptitud de 
cocción. También el contenido de fase líquida es importante y, normalmente, se considera un 
contenido del 20-25% como el óptimo con respecto a la nodulación. [7] 
2.2.5 ZONA DE TEMPERATURAS MÁXIMAS 
En el punto donde la cantidad de C3S ha alcanzado su valor crítico, la nodulación termina y la 
zona de temperaturas máximas (MZ) empieza. En esta zona, que se encuentra directamente 
debajo de la parte iluminada de la llama, los procesos que predominan son la formación y el 
crecimiento de las partículas individuales de C3S y su sinterización una a otra. Es en esta zona en 
la que se observa el comportamiento más viscoso de la carga del horno y en la que las 
temperaturas del material son más elevadas, es decir entre 1400ºC y 1500ºC. 
La figura 5 muestra el progreso de la formación de alita en las diferentes zonas del horno. En la 
zona de temperatura máxima (MZ), la formación de C3S se realiza rápidamente, porque la 
temperatura es alta. Si el material es aglomerado, la reacción procederá bajo las condiciones 
22 
presentadas por los nódulos. Esencialmente, esto significa que las reacciones químicas están 
limitadas por la velocidad de difusión de los reactivos en la fase fundida. 
IMáx I Velocidad de 
Formación de Alita 
Fig. 5. Zonas del Horno en Relación con la Velocidad de Formación de Alita 
En la parte del material no aglomerada, tiene lugar una "agitación eficaz", y las reacciones 
pueden suceder más rápidamente que en la parte del material nodulada. Esto se debe a un 
contacto mejor y más frecuente entre las partículas ricas en cal y partículas ricas en sílice, 
estimulando así la reacción. Después de que la carga ha pasado la llama, su temperatura baja y la 
fase líquida se solidifican de manera tal que ocurre una "congelación" de la estructura del 
material. Aquí es donde se termina la zona de temperaturas máximas. [7] 
2.2.6 ZONA DE ENFRIAMIENTO 
La zona de enfriamiento (AZ) empieza cuando el material comienza a solidificarse. En esta zona 
el material puede aglomerarse, pero esto sólo se debe al enfriamiento y solidificación de la fase 
líquida del clinker. 
También aquí en la última sección del tubo del horno se realizan reacciones químicas. La 
proporción del mineral de c~s siempre disminuirá durante el enfriamiento, y cuando más 
lentamente se produce el enfriamiento, tanto más grande será la disminución. Algunos de los 
minerales se convierten en C2S con la liberación de CaO, que se combina inmediatamente con los 
minerales inestables de C-A (C3A5 o C7A!2) para formar C3A. En el clinker enfriado, poco menos 
de una tercera parte del mineral de C3A es formado de esta manera. El cambio en la relación entre 
C3S y C2S influenciará la molienda del clinker ya que el C3S es más difícil de moler que el C2S. 
La manera en que se enfría la carga de clinker tiene gran influencia en su calidad. Dependiente de 
la posición de la llama, el enfriamiento y la solidificación del líquido pueden ser lentos rápidos. 
En general, un enfriamiento rápido tiene un efecto positivo en la calidad del clinker así como en 
su molturabilidad. Para enfriamiento rápido, la temperatura máxima se encuentra muy cerca del 
extremo de salida del horno, lo que resulta en una temperatura de salida del clinker bastante alta, 
seguida por un enfriamiento rápido en la primera sección del enfriador. Sin embargo, en el caso 
de que la zona de cocción esté situada demasiado lejos del extremode salida del horno, el tiempo 
23 
que el clinker permanece en la zona de enfriamiento será más largo con el resultado de un 
enfriamiento lento. [7] 
2.2.7 FORMACIÓN DE COSTRA 
No toda la fase fundida será utilizada para formar clinker, incluso bajo condiciones óptimas. 
Parte de la fase fundida será consumida por adhesión al refractario del horno que, de esta manera, 
obtiene una capa de costra que consiste de una mezcla solidificada de clinker y material no 
nodulado. 
La formación de costra es un fenómeno muy deseable, ya que protege el refractario del horno 
contra el desgaste mecánico, y, lo que es aún más importante, contra las fluctuaciones regulares 
en la temperatura causadas por la rotación del horno. En la zona de cocción, la superficie interior 
del horno es alrededor de 200ºC más caliente en la parte alta del espacio libre interior del horno 
que en la parte de abajo donde está cubierta por la carga del horno. Las expansiones y 
contracciones periódicas que ocurren como resultado de esta diferencia de temperaturas reducen 
la vida útil del revestimiento, pero una costra satisfactoria reducirá las variaciones de 
temperaturas en el material de revestimiento existente. Una costra de 15-30 cm se considera un 
espesor apropiado. 
Una nueva costra puede adherir a una costra ya existente o directamente al refractario (en los 
casos en que no hay costra) mientras la temperatura de la superficie sea más baja que la 
temperatura a que el líquido se solidifica. La formación de costra continúa hasta que la 
temperatura de su superficie alcance la temperatura de solidificación. Al funcionar el horno bajo 
tales condiciones, la costra se mantendrá. En teoría, no se formará costra adicional. 
Sin embargo, la costra no es permanente. Partes de la costra se rompen y se restablecen 
continuamente. Lamentablemente, la costra también puede causar daño en el revestimiento, ya 
que trozos de costra a menudo pueden llevar consigo una capa del revestimiento cuando son 
desalojados. Si la temperatura de la superficie de la costra excede a la temperatura de 
solidificación, las partículas en la superficie de la costra se desalojarán debido a la formación de 
fase fundida, y la costra empezará a desprenderse. 
La formación de costra depende de dos factores principales, es decir la conductividad del 
revestimiento refractario del horno y a la fase líquida formada en la zona de clinkerización. 
Cuanto mejor es la conductividad de los revestimientos, tanta más baja es su temperatura de 
superficie, lo que a su vez, tiene un efecto beneficioso en la formación de costra. Un contenido 
elevado de fase líquida en la alimentación al horno también mejora la formación de costra. 
Naturalmente, la extensión de la costra en la zona de cocción es limitada por la fase fundida. En 
la primera parte de la zona de cocción, donde la cantidad de fase fundida es todavía demasiado 
pequeña, la costra será delgada o no se formará. Esto también es el caso en la última parte de la 
zona de cocción, cuando la fase fundida empieza a solidificarse. 
La llama también juega un papel importante en la formación de costra. Una llama corta y ancha 
puede erosionar la costra, debido al calor intenso liberado por ella sobre una distancia 
relativamente corta dentro del horno. Al aumentar la temperatura, la costra se transformará en 
líquido que, finalmente, puede dañar el refractario. Por otro lado, una llama corta es más 
ventajosa para la formación de costra. Y por último, en el caso de una llama "fría", casi no forma 
24 
costra. Esto se debe al hecho de que la temperatura de la superficie del refractario o de la costra 
existente así como la temperatura de la carga del horno son demasiado bajas como para producir 
la cantidad necesaria de fase líquida que aceleraría la formación de costra. [7] 
2.2.8 RELACIÓN ENTRE LAS ZONAS DEL MODELO, EL PERFIL DE 
TEMPERATURA Y LA APTITUD DE COCCIÓN 
La ubicación de las zonas individuales dentro del horno está determinada principalmente por el 
perfil de temperatura que, a su vez, depende de la llama. Las zonas más importantes en cuanto a 
buena aglomeración de los materiales en el horno son la zona de calentamiento y la zona de fase 
líquida. Estas zonas deben ser suficientemente largas como para asegurar la nodulación. La 
longitud relativa de las varias zonas puede ser cambiada, cambiando el perfil de temperatura o 
cambiando la composición química y la aptitud de cocción de la mezcla cruda.[7] 
2.3 RESUMEN DEL CAPÍTULO 
En esta sección se describen las zonas en las que se ha dividido al horno en cuanto a los procesos 
termodinámicos y químicos que ocurren durante el proceso de cocción del clinker, así como los 
perfiles de temperatura dentro de la zona de clinkerización. 
Para efectos de estudio, el proceso de cocción del clinker se ha dividido en cinco zonas a saber: 
• Zona de calcinación. Aquí se produce la descarbonatación del material y ocurre 
principalmente en el precalcinador. 
• Zona de calentamiento. Cuando el material sale del precalcinador, entra al horno y a la zona de 
calentamiento donde el material aumenta su temperatura hasta un valor aproximado de 1200º 
c. 
• Zona de fase líquida. Cierta cantidad de material empieza a fundirse e inicia la formación de 
nódulos. El porcentaje de fase líquida es de 25% aproximadamente. 
• Zona de temperaturas máximas. Esta zona está situada debajo de la parte de mayor intensidad 
calorífica de la llama. El proceso de nodulación termina. 
• Zona de enfriamiento. Esta zona está situada a la salida del horno donde el material es 
sometido a un proceso de enfriamiento aunque todavía se producen algo de los procesos 
químicos involucrados en las zonas anteriores. 
Dentro del horno se forma una capa de costra de material. Este material tiene cierta cantidad de 
producto fundido que funciona como aglomerante de los granos de tal suerte que se forma una 
masa pegajosa formando la costra. El espesor de esta costra es de 20 a 30 cm. y tiene efectos 
benéficos porque protege al refractario de variaciones de temperatura y del roce mecánico. 
25 
CAPÍTULO 3. 
PARAMETRIZACIÓN DEL CONTROL DEL HORNO 
3.1 HISTORIA DEL CONTROL EN FÁBRICAS DE CEMENTO 
El origen de la denominada Teoría de Control fue el intento de resolver, científicamente, el 
problema de obtener valores deseados a partir de la medición de las entradas a proceso. Esta 
teoría, que ha recibido las contribuciones de innumerables investigadores, ha tenido distintos 
estadios de conocimiento, cuya repercusión práctica ha marcado la evolución en la forma en la 
que han operado los procesos industriales. 
Inicialmente, y todavía ahora en muchos casos, los procesos industriales se operaban y se siguen 
operando en forma manual. Cuando ello ocurre, el operador humano intenta, en la medida de lo 
posible, que las variables críticas se mantengan dentro de bandas de operación aceptables. 
Por ejemplo, cuando en un horno de cemento el nivel de oxígeno desciende acercándose a un 
límite inferior indeseable, el operador humano reacciona aumentando la velocidad del ventilador. 
Obviamente, esta acción hará que el nivel de oxígeno vuelva a crecer de nuevo. Asimismo, si el 
nivel de NOx, indicativo del nivel térmico del horno, se acerca al límite superior de la banda de 
funcionamiento aceptable, el operador reaccionará bajando el nivel de combustible. Ello impedirá 
que el nivel de NOx rebase el mencionado límite. 
En los años 50 los controladores automáticos empezaron a introducirse, abriendo una nueva era 
de control automático. Estos controladores fueron llamados PID porque generaban la acción de 
control reaccionando al error producido en forma proporcional (P), integrada (1) y derivativa (D). 
En consecuencia, este tipo de controladores reacciona básicamente al error ya producido. 
Cuando se actúa sobre el proceso reaccionando al error ya producido, no se puede evitar 
problemas de estabilidad, ni cuando la dinámica del proceso es compleja, alcanzar el control 
preciso delas variables críticas. En muchos casos, como ocurre con las variables críticas de un 
horno para cemento, no se puede mantener control automático y hay que operar la planta bajo 
control manual. 
La ausencia durante décadas de una solución satisfactoria de control automático, motivó la 
introducción en el mercado de los denominados sistemas expertos. 
Estos sistemas, a diferencia de los sistemas de control automático, no generan la actuación sobre 
el proceso mediante una ley de control matemáticamente definida, sino que tratan de identificar 
26 
situaciones determinadas de operación y actuar en ellas aplicando reglas. Dichas reglas en la 
práctica se derivan tratando de imitar la operación del operador experto. 
Cuando la complejidad del Sistema Experto es importante, es difícil garantizar un 
comportamiento aceptable debido principalmente a que las reglas y sus parámetros pueden 
cambiar con el tiempo. [ 1] 
En la década de los sesenta empezaron a darse los primeros pasos en la automatización de la 
industria cementera en Europa, cuando los paneles de mando locales, a pie de máquina, se 
trasladaron a una Sala de Control Central. Fue una autentica innovación porque rompió el 
contacto físico entre el operador y la máquina; el hombre se vio obligado a tomar decisiones y 
actuar no por lo que veía, oía y sentía en el proceso sino por lo que leía en unos aparatos 
indicadores o registradores. 
El trabajo se hizo más racional y la inmediata aplicación de reguladores automáticos mejoró la 
producción en cantidad y calidad. Sin embargo, muy poco tiempo después al máximo de 
posibilidades ofrecidas por la regulación analógica convencional y los ingenieros volvieron su 
vista a unas máquinas de prestaciones muy elevadas y todavía inexploradas: la computadora. 
La aplicación de las primeras computadoras en las tareas de automatización marcó la segunda 
revolución en esta historia. Eran máquinas grandes, caras, delicadas y exigentes que obligaban al 
usuario a una larga preparación si quería aprovechar al máximo sus posibilidades. Ello tuvo como 
consecuencia la utilización de grandes equipos centrales, capaces de asumir un gran número de 
tareas, puesto que sólo así se justificaba económicamente la inversión hecha. 
Para esta etapa se había establecido una metodología básica a seguir: 
• Análisis de tareas a resolver. 
• Definición de un concepto general que contemple las situaciones particulares. 
• Estructuración de un sistema formado por elementos electrónicos (hardware) y programas 
(software). 
• Pruebas exhaustivas en condiciones lo más cercanas posible a las reales. 
• Normas de operación y servicio adaptadas al operador humano. 
• Garantía de seguridad de marcha del conjunto. 
Paralelamente, el desarrollo de la electrónica condujo a la miniaturización de los equipos de 
mando. En la década de los setenta, en lugar de utilizar pesados bancos de relevadores para el 
enclavamiento de motores, por ejemplo, se empezaron a utilizar los controladores lógicos 
programables, los famosos PLCs. Desarrollos posteriores permitieron a estos aparatos leer y 
mostrar valores medidos, imprimir listados, visualizar en pantallas, etc. Con la aparición de los 
PLCs se dio paso a una tendencia descentralizadora; esto es, a cada una de las partes de la línea 
de producción se le asigna un controlador que desarrolla de manera autónoma las tareas 
correspondientes a dicha parte. Los controladores elementales están conectados a la sala de 
control central, desde la cual se sigue llevando a cabo la vigilancia y operación de toda la línea. 
Las ventajas de este concepto son: 
~ Amplia independencia funcional de unos controladores con otros. 
~ Utilización de paquetes y rutinas estándar. 
27 
~ Mayor facilidad para la puesta en marcha, permitiendo incluso trabajos simultáneos en la 
línea. 
~ Facilidad para modificaciones o renovación 
~ La avería de un equipo afecta solamente a una parte del conjunto 
~ Abaratamiento de los costos del cableado. 
En años recientes hemos presenciado la tercera revolución del control: la apanc1on de la 
computadora personal (PC) y el uso de la interfase hombre-máquina orientada a objetos. Al igual 
que las antiguas computadoras, el PC necesita apoyarse en un PLC. El PLC sigue siendo los ojos 
y los oídos del controlador. 
La siguiente gráfica ilustra la evolución, a través del tiempo, de la utilización de los distintos 
aparatos.[2] 
Mando, señalización 
Listados , informes 
Medida, regulación 
Observación, vigilancia 
Información 
Optimización 
D PLC 
1970-75 1975-80 1980-85 
~ Ordenador de Procesos 
1985-90 
- PC 
Fig. 6. Evolución del Control en las Fábricas de Cemento[2] 
3.2 ESTRATEGIAS DE CONTROL 
La historia del control comienza a partir de los pnmeros computadoras de proceso que se 
introdujeron en la fabricación de cemento. Los modelos basados pura y simplemente en 
conceptos de ingeniería del proceso no dieron resultado, si bien - en el extremo contrario -
tampoco lo dieron los basados en conceptos únicamente de carácter estadístico. 
Esta falta de éxito se relaciona estrechamente con el hecho de que el proceso de cocción del 
cemento se centra en el interior del horno rotatorio y éste continúa ahora siendo pobremente 
accesible para las mediciones. Dos filosofías han avanzado últimamente. Una de ellas se esfuerza 
en simular las acciones de la sala de control personal; la otra pretende, usando balances 
energéticos, hacer visible el proceso del horno y, por lo tanto, controlable. El problema del 
control automático del horno sigue siendo un desafío. 
28 
Una importante cantidad de problemas viene asociados con la tendencia del horno rotativo a 
formar acumulaciones de energía y material. El almacenaje de material proviene de la formación 
de pegaduras o costras en la superficie interna del horno. La subsiguiente despegadura y colapso 
de las adherencias dispersa rápidamente el material represado. 
Debido al proceso de almacenado de energía, las mediciones realizadas en ambos extremos del 
horno únicamente pueden suministrar una indicación fuertemente "sofocada", como si el proceso 
de combustión recibiera el aporte necesario de energía, siendo la realidad de que el clinker está 
saliendo crudo. Debido a esto, puede ocurrir que el horno funcione durante horas y, a veces, más 
de un día con un consumo específico de energía demasiado bajo y luego siga con un consumo de 
energía excesivamente alto. 
La tendencia a la baja en el costo del hardware del equipo del proceso de datos parece que va a 
continuar. Los procesadores y medios externos de memoria resultan igualmente sólidos y de gran 
capacidad. El software también se ha incrementado según las conveniencias de su empleo. 
Aunque el costo del software ha subido, este aumento no es tan grande como la cantidad y la 
amplitud de su uso. Una solución ideal para los modernos sistemas de control sería que el técnico 
experimentado y el técnico conocedor de las funciones del equipo de proceso de datos fueran una 
misma persona. 
Puesto que los datos del proceso pueden almacenarse por largos plazos de tiempo, puede 
estudiarse y optimizarse la actuación del proceso, sin gran esfuerzo ni costos, con auxilio de los 
análisis de correlación. Es de esperar que los futuros avances en nuevos instrumentos de medida 
abrirán camino de halagüeñas posibilidades en la automatización de las fábricas de cemento. 
La actual tendencia en el desarrollo del control de la producción se basa en el uso de 
computadoras: 
Los varios conjuntos de problemas a resolver se asignan a instrumentos individuales 
programables, hechos a la justa medida de cada caso particular. Según la amplitud de sus 
cometidos, estos instrumentos pueden ser computadoras de proceso, PCs, PLCs o aparatos de 
medida programables. Con estos dispositivos de automatización es posible introducir soluciones 
individuales autosuficientes, dependiendo de la dirección operativa de la planta, pudiendo 
constituir sistemas aislados o, alternativamente,pueden operar en el contexto de una compleja 
información integrada de la fábrica de cemento. Sistemas de buses de gran capacidad apoyan este 
desarrollo, consiguiéndose una fiel transmisión de información. [ 1] 
3.3 INSTRUMENTACION EN EL HORNO 
Se sabe que el horno de clinker es un proceso multivariable, no lineal y que no tiene una fácil 
modelización. Existe un gran número de señales de proceso para el control del horno. Basándose 
en la experiencia real de la planta y plasmada en una serie de ensayos, las temperaturas y 
presiones del intercambiador de la torre, el par motor de accionamiento principal, la calidad del 
clinker (cal libre), el oxígeno y el monóxido de carbono son variables de control y que el caudal 
de alimentación de crudo, la alimentación de combustible, la velocidad de rotación del horno y el 
caudal de salida de gases son variables a controlar. 
Se puede obtener un modelo aceptable de control para el oxígeno y monóxido de carbono, 
mientras que para el transporte de material no se obtiene un buen modelo analítico; pero sin 
29 
embargo, es posible encontrar un modelo heurístico que pueda ser utilizado en el control de un 
proceso, basándose en técnicas de inteligencia artificial. [8] 
3.3.1 DISEÑO DEL CONTROL 
Los objetivos de control que se proponen son: seguridad de operación, calidad deseada del clinker y 
mínimos costes de producción. Basados en estos objetivos y en la experiencia de los operadores del 
horno, se puede llegar a las siguientes conclusiones: 
l. La calidad del clinker depende de la temperatura de las temperaturas de las dos zonas 
principales de cocción en el horno. Así pues, si dichas temperaturas se mantienen a un 
nivel correcto, se alcanzará la calidad deseada. 
2. La máxima producción se alcanza fijando la consigna de caudal de crudo a nivel máximo 
de producción que especifica el diseño del horno. 
3. El mínimo costo de producción se alcanza minimizando el tiempo de paradas por averías y 
reparaciones programadas. 
Estos objetivos son válidos si el horno está trabajando bajo condiciones normales. Si la operación es 
anómala, debido a alguna perturbación, el objetivo del control será precisamente alcanzar las 
condiciones de funcionamiento normal. Con este fin, el controlador debe detectar, usando toda la 
información disponible procedente del horno, qué clase de anormalidad está presente y debe ejecutar 
las acciones adecuadas que permitan alcanzar el estado normal de operación. [ 1 O] 
Como ya se ha mencionado, el control de un horno de fabricación de cemento es algo 
extremadamente difícil, aunque últimamente se han desarrollado técnicas de control basadas en lógica 
difusa que han logrado controlar este sistema con cierto éxito. Teniendo en mente los objetivos del 
diseño del control citados arriba, se propondrá un algoritmo de control que emule la actuación del 
operador del horno. 
Como ya se mencionó, uno de los objetivos del control en el horno es mantener condiciones estables 
de funcionamiento, y, en segundo lugar, mantener la máxima producción. Esto quiere decir que es 
más provechoso trabajar el horno de una forma estable durante un largo periodo de tiempo aunque 
para ello se varíe la producción de clínker. 
Gran cantidad de fabricantes de cemento ha optado por mejorar el control de los hornos, o de una vez, 
instalar fábricas más modernas con sistemas de control distribuido. Se ha demostrado en otros hornos 
que al lograr una marcha estable, se han producido importantes ahorros en consumo de combustible 
(del 3 al 10%), en el consumo de energía eléctrica (del 3 al 7%), en aumento de producción (del 3 al 
5%), aumento de uniformidad de la calidad del clínker (del 30%) y un aumento en la vida del 
refractario (del 30 al 70%). Las cifras de mejora varían bastante por la naturaleza inestable del 
proceso y por la variedad de suministradores de sistemas de control. Tomando en cuenta lo anterior, 
se puede esperar apreciables ahorros en la operación del horno si adopta un control como el que 
propondría la presente tesis. [ 11] 
En vista de lo ya expuesto, muchos fabricantes de sistemas de control, productores de equipo para 
fabricación de cemento y fabricantes de cemento (sobretodo en Europa) han desarrollado equipos y 
sistemas que facilitan la observación y monitoreo de procesos por parte de los operadores, e inclusive, 
capaces de controlar sistemas complicados como el horno de cemento. Por ejemplo, Honeywell tiene 
los sistemas MAS (Manufacturing Supervisor) o el SCAN 3000; Siemens tiene el CEMAT (especial 
para fábricas de cemento); KHD Humboldt Wedag AG tiene el PYROTROL (sistema para controlar 
30 
hornos de cemento); Blue Circle desarrolló su propio sistema de control de hornos; ABB tiene el 
LINKMAN; Polysius, fabricante alemán de hornos, tiene su sistema de optimización POLCID y el 
KCE; de España viene el SCAP (sistema de control adaptivo predictivo) y el CONEX desarrollado 
por la ETSII de Madrid y por Asland s.a. ; o está el PYROEXPERT desarrollado por Heidelberger 
Zement AG y KHD Humboldt Wedag Prozessautomation GmbH; etc.[ 11] 
3.3.2 INTERVENCIÓN DEL ANÁLISIS DE LOS GASES RESIDUALES PARA EL 
CONTROL DEL HORNO 
La industria del cemento es la tercera consumidora de energía primaria, después de la industria 
del acero y la industria química. Para la producción de una tonelada de clínker, se necesitan casi 
100 litros de combustóleo, 80-100 m1 de gas natural o 80 -120 Kg de carbón, como combustible 
en el horno rotatorio. El encarecimiento de los dos primeros combustibles en los años 1973 a 
1978, condujo a su sustitución por carbón en una gran parte de las instalaciones de todo el 
mundo, siendo hoy el carbón el combustible más utilizado a escala mundial. 
Dado que los costos de la energía es el de mayor peso en la producción de cemento, durante 
muchos años los esfuerzos de investigación se han centrado en intentar reducir el consumo de 
energía. Esto se ha reflejado en el gran desarrollo de la ingeniería de proceso y ha conducido a las 
modernas plantas actuales con precalcinación, a la explotación del calor residual y a la utilización 
de sustancias residuales ricas en energía. 
Esto significa que la ingeniería de proceso en la fabricación de cemento tiene que atender tres 
objetivos distintos: calidad, costos y medio ambiente. Teniendo en cuenta la calidad requerida 
del producto final, las variaciones de los materiales con las cuales tenemos que contar, nos guste 
o no, como consecuencia de las grandes cifras de producción y la debida flexibilidad respecto a 
los combustibles utilizados, ha hecho que sea esencial seguir progresando en el análisis de gases. 
Una posibilidad de ahorro energético, sin afectar a la calidad, es un cuidadoso control del proceso 
de combustión, mediante el análisis de trazas de gases. El análisis de los gases residuales de 
combustión se ha limitado, básicamente, a la determinación del oxígeno libre y del monóxido de 
carbono, aquél para control de la combustión y éste como medida de protección de los electro 
filtros de desempolvado. El contenido de 0 2 en la salida del horno era un parámetro decisivo para 
la alimentación del combustible. Aunque la determinación del exceso de oxígeno debería 
realizarse inmediatamente después del calcinador, el análisis de los gases después del 
intercambiador era una concesión obligada dadas las dificultades de mantenimiento de los 
equipos en la zona caliente y polvorienta del sistema de combustión. De esta forma la alteración 
de los datos reales, como consecuencia de entradas de aire falso en el intercambiador, fue 
aceptada como inevitable. El resultado era, lógicamente, poco exacto. 
El análisis de CO se ha utilizado casi exclusivamente para protección del electro filtro de 
desempolvado, ya que en la mayor parte de los casos la exactitud de medición no permite su 
utilización para otros fines. Los contenidos de CO normales, de aproximadamente 500 p.p.M, no 
tienen efectos negativos sobre el proceso. Sin embargo, si la combustiónse realiza con un exceso 
de aire mínimo, hay un efecto significativo en la formación de CO, requiriéndose una cantidad 
menor de energía en el intercambiador y reduciéndose las pérdidas en los gases de escape. Al 
mismo tiempo se consiguen temperaturas máximas en la llama, lo cual es especialmente 
31 
ventajoso cuando se utilizan combustibles de bajo poder calorífico, con los cuales es entonces 
posible conseguir temperaturas suficientemente altas en la zona de sinterización. 
La temperatura en la zona de sinterización, decisiva para la formación de NOx, está también 
relacionada con el exceso de aire. Esto significa que la medición de Nüx proporciona 
información sobre la temperatura en la zona de sinterización. Además, este valor, junto con el CO 
y S02, posibilita influenciar la calidad del clinker. 
Los valores característicos de S02, los cuales proporcionan información del estado del horno, 
dependen del azufre presente en la combustión y del azufre y álcalis contenidos en la harina 
cruda. En función de los álcalis presentes, la mayor parte del azufre se incorpora al clinker. El 
grado de incorporación también depende de las condiciones de la zona de sinterización 
aumentando la atmósfera reductora. [ 12] 
3.4 CONTROL INDIVIDUAL DE CADA PARAMETRO 
3.4.1 MONOXIDO DE CARBONO: CO 
En la combustión perfecta tanto el contenido de oxígeno como el de CO es cero. Como es 
imposible conseguir este proceso ideal, al bajar el oxígeno de cierto valor empieza a aparecer 
monóxido de carbono CO. Este monóxido de carbono se ha de evitar por las siguientes razones: 
1. El CO puede producir la explosión del filtro electrostático cuando su concentración es 
superior al 2% y hay oxígeno, procedente de aire falso. 
2. La presencia de CO supone una pérdida de calor de 3020 kcal/Nm3, esto significa el 
4% del poder calorífico del carbón perdido por cada 1 % de CO en los gases de humo. 
3. La existencia de CO en la salida del horno indica la presencia de una atmósfera 
reductora. Si esta atmósfera reductora está en la zona de clinkerización, se producirán 
reducciones de hierro férrico a ferroso, o incluso a hierro metálico, con aparición de cal 
libre. También los ladrillos refractarios podrían sufrir un gran deterioro, en especial los 
de cromomagnesita por reducción de la cromita.[ 12] 
3.4.2. CONTROL DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA ALIMENTACIÓN DEL 
HORNO. 
Para obtener un rendimiento satisfactorio del horno, es sumamente importante que la harina cruda 
alimentada al horno tenga una composición química y homogeneidad adecuadas. 
La experiencia ha mostrado que la mayoría de los hornos se ve notablemente afectado por las 
variaciones en la calidad de la harina, que son comparables con la precisión realizable para los 
análisis de rutina en un laboratorio de control de proceso normal. 
32 
Debido a esto la homogeneidad de la harina cruda alimentada al horno debe cumplir 
preferiblemente con los siguientes requisitos: 
l. Desviación típica del grado de saturación de cal, LSF ± 1 
2. Desviación típica del módulo de sílice, Ms ± 0.1 
3. Desviación típica del módulo de alúmina MA ± 0.1[13] 
3.4.3. CONTROL DE DOSIFICACIÓN DE LA HARINA CRUDA AL HORNO 
La precisión de la dosificación de la harina cruda al debe tener un coeficiente de variación menor 
al 1 %. Normalmente, el alimentador de harina cruda al horno está relacionado con la velocidad 
del horno de manera que la carga de material en el horno se mantenga constante, 
independientemente de la velocidad del horno. 
El polvo recuperado de la torre de enfriamiento y del filtro electrostático es reciclado al sistema 
antes del aparato alimentador del horno. De esta forma, la realimentación del polvo recuperado 
no perturba el control de la alimentación de crudo. [ l O] 
3.4.4. CONTROL DEL COMBUSTIBLE. 
Cuando se utiliza combustóleo o gas natural como combustible, es relativamente fácil mantener 
una alimentación constante de combustible al horno. Las propiedades más importantes, tal como 
el poder calorífico y viscosidad, normalmente tienen pocas variaciones si la temperatura y la 
presión del combustible se mantienen dentro de límites pequeños. Por este motivo, es posible 
controlar la cantidad de combustible alimentado al horno a un valor consignado con un regulador 
automático PID.[10] 
3.4.5. CONTROL DEL TIRO DEL HORNO 
El flujo de aire y, más tarde, de los gases de humo, a través del horno y precalentador, debe 
mantenerse constante. Este flujo se suele llamar el tiro del horno, aunque una presión sólo en 
sentido indirecto puede expresar el flujo de un gas. 
El flujo debe mantenerse constante ya que, al mismo tiempo, debe asegurar una combustión 
constante ( flujo de aire de combustión) y un transporte y separación constantes de la harina 
cruda en los ciclones (flujo de gases). Los gases consisten de aire en exceso, gases de combustión 
y gases de descarbonatación (más un poco de S02, humedad y C02 de la harina cruda). 
El tiro del horno normalmente se mantiene constante sin estar en automático. Es decir que el 
operador, manualmente, ajusta el registro antes del ventilador de gases al tiro deseado. Por 
experiencia se sabe que esta forma de regulación da una marcha muy estable del horno. Sin 
33 
embargo, se han considerado varias posibilidades de control automático algunas de las cuales se 
estudian a continuación. 
En teoría, la cantidad de gases se puede medir con un tubo de Venturi o Pitot, instalado en el 
conducto, pero en la práctica estas mediciones normalmente no tienen suficiente precisión y 
tampoco suficiente confiabilidad, sobre todo a causa del polvo. 
Otra posibilidad es la depresión después del precalentador que también es una buena indicación 
del flujo de los gases, pero los valores medidos dependen de la formación de incrustaciones u 
otros obstáculos en el horno o precalentador.[13] 
3.4.6. CONTROL DEL CONJUNTO DEL PROCESO 
Como ya dijimos, es el operador el que realiza el control del conjunto del proceso. Para esto, el 
operador toma en cuenta lo siguiente: 
1. La situación en la zona de cocción. 
2. El momento de torsión del horno como medida de la cocción. 
3. La calidad final del clinker. 
4. La cal libre como medida de la calidad. 
5. Los puntos de medición de temperatura. 
6. La temperatura en la salida del horno. 
7. La temperatura en la zona de cocción. 
8. El control de la calcinación. 
9. NOx como medida de la temperatura en la zona de cocción. 
3.4.6.1. La situación en la zona de cocción. 
La situación en la zona de clinkerización y en la zona de enfriamiento de la salida del horno, 
evaluada visualmente, ya sea directamente desde la plataforma del hornero o bien indirectamente 
a través del circuito de televisión en la sala de control. 
Debido a que los hornos tienen bastante polvo en la zona de calcinación y cocción la visibilidad 
es bastante pobre. Sin embargo, con el televisor se pueden obtener algunos datos importantes: 
1. El flujo de la carga de clinker en la zona de enfriamiento, es decir si la carga se desliza 
en forma de aglomeraciones grandes o si el movimiento es continuo como partículas 
individuales. 
2. El ángulo de reposo del lecho de clínker en el horno. 
3. La granulometría del clinker. 
34 
3.4.6.2. El momento de torsión del horno como medida de la cocción. 
Muchas de las fluctuaciones o variaciones que tienen lugar dentro del horno se reflejan en la 
carga del motor mismo (el momento de torsión del horno). Si la zona de cocción o clinkerización 
es más caliente que lo normalmente deseado y necesario, el ángulo de reposo del lecho del 
clinker en el horno aumenta y, por consiguiente, el momento de torsión del horno aumenta. En 
caso de que la zona de cocción o clinkerización esté más fría que lo normalmente deseado, baja el 
momento de torsión del horno. De manera correspondiente, la tendencia del momento de torsión 
del horno varía según si éste está calentándose o enfriándose. 
Debido a estas relaciones, un medidor que registra continuamente elmomento de torsión del 
horno es un factor sumamente útil para el operador. 
La interpretación de la curva del momento de torsión del horno siempre debe ser hecha 
cuidadosamente, combinando la información con los demás datos disponibles, especialmente en 
los casos en que el proceso no es estable y equilibrado. Por ejemplo, una disminución abrupta en 
la curva del momento de torsión del horno puede indicar que la carga del horno está fundiéndose, 
pero también puede indicar una caída de un anillo de material con la consiguiente aglomeración 
de material dentro del horno. En periodos en que la costra caída está pasando el horno, se debe 
suspender el uso de la curva del momento de torsión del horno para controlar el proceso hasta que 
se haya terminado la formación de una nueva costra. Normalmente, la caída de costra resulta en 
un aumento abrupto del momento de torsión del horno. Esta observación debe ser controlada y 
verificada por la temperatura del casco del horno. [ 14] 
3.4.6.3. La calidad final del clinker. 
La calidad del clinker es el factor más importante con respecto al control del horno y es seguida 
con mucha atención. 
La calidad del clinker se determina casi exclusivamente por el grado en que se haya formado 
minerales de clinker durante la cocción. Como es sabido, los minerales de clinker, sobretodo el 
C3S, son decisivos para la resistencia a la compresión de 28 días. De acuerdo con las condiciones 
de producción se puede incluir la granulometría y la molturabilidad en la demanda a la calidad, 
ya que estas tienen importancia en cuanto al transporte y al consumo de kWh/ton de cemento. 
[ 14] 
3.4.6.4. La cal libre como medida de la calidad. 
La formación de minerales de clinker se mide mediante la cantidad de cal libre, es decir la cal que 
no está combinada en los minerales del clinker. La cantidad de cal libre se mide en el laboratorio, 
35 
sm embargo, el resultado del análisis no existe hasta 1 hora después que se haya sacado la 
muestra. 
Desde 1990 se ha tratado de utilizar, en algunas fábricas, un método de análisis automatizado que 
usa trituración, molienda, levigación en glicol y subsiguiente medición de la conductividad. El 
resultado del análisis existe ya después de 5 minutos. [ 14] 
3.4.6.5. Los puntos de medición de temperatura. 
Para el control del proceso, la temperatura en la cámara de gases de humo es muy útil, ya que 
indica cómo el perfil de la temperatura está equilibrado entre la zona de clinkerización y la 
entrada del horno. [ 14] 
3.4.6.6. La temperatura en la salida del horno. 
A veces, un termopar colocado en el quemador, cerca de la tobera, es muy apreciado por los 
operadores. Con este termopar es posible medir la temperatura, aunque la medición no es muy 
exacta, porque la indicación también es afectada por la radiación del clinker caliente en la zona 
de enfriamiento del horno. Por lo menos esta indicación da información con respecto a 
variaciones de la temperatura del aire secundario y porque esta temperatura es una función de las 
condiciones de la zona de clinkerización. 
Esta variable también se utiliza para evaluar las condiciones en la zona de clinkerización. La 
información tiene un retraso de alrededor de 10-20 minutos. [14] 
3.4.6.7. La temperatura en la zona de cocción. 
Normalmente, los problemas relacionados con la medición de la temperatura existente del 
material en la zona de clinkerización, se deben a variaciones en el contenido de polvo reciclado 
en el aire secundario. 
A veces, se instala un pirómetro de radiación de 2 colores en el fondo de extremo del horno, con 
el cual se mide la temperatura comparando la intensidad de radiación de dos distintas longitudes 
de onda en el espectro, pero en la práctica, sólo bajo circunstancias excepcionales el pirómetro ha 
funcionado con la suficiente confiabilidad como para permitir un control directo y automático de 
la alimentación del combustible al horno. [ 14] 
36 
3.4.6.8. El control de la calcinación. 
El grado de calcinación se regula por la temperatura a la salida del precalcinador. Esa 
temperatura se mantiene por medio de la alimentación de combustible, que se puede controlar 
adecuadamente con un controlador automático PID. 
Controlado de esta manera, el material que entra en el horno tiene un grado de precalcinación 
muy uniforme y constante, que resulta en una operación del horno estable y uniforme. [ 14] 
3.4.6.9. NOx como medida de la temperatura en la zona de cocción. 
NOx es una forma de abreviar "óxidos de nitrógeno", más específicamente, el NO y el N01. El 
NOx se forma durante la combustión con carbón, combustóleo, gasolina, etc. mediante la 
oxidación del nitrógeno presente en el aire de combustión , lo mismo que por los compuestos de 
nitrógeno que hay en el combustible. 
El NO generado durante la combustión puede, por debajo de los 1000º C, convertirse en N01. De 
acuerdo con las condiciones que prevalecen en el horno, menos del 10% del NOx emitido es en 
forma de N01. Normalmente sólo se mide el NO. 
Debido a las demandas de las autoridades en cuanto a la lucha contra la contaminación, durante 
los últimos años muchos hornos han sido equipados con analizadores de NOx en la chimenea o 
a la salida de los gases del sistema del horno. Entre los óxidos de nitrógeno, el NO es el más 
interesante en relación con los procesos del horno. 
El contenido de NO en los gases de humo tiene parcialmente su origen en una síntesis a alta 
temperatura en la llama entre oxígeno elemental y nitrógeno elemental, que provienen del aire de 
combustión. 
La intensidad de la generación de NO depende de varios factores, entre los cuales la temperatura 
de la llama es el más importante. En consecuencia, por la medición del NO se tiene la 
temperatura en la zona de clinkerización. 
Debido a esta interdependencia, el operador del horno tiene naturalmente la ventaja de disponer 
de un parámetro de control adicional y, durante los últimos años, se han instalado frecuentemente 
analizadores de NO con el fin de utilizar esta información para el control del horno. La tendencia 
del NO, registrada en la curva del registrador de NO, da informaciones relativamente rápidas con 
respecto a cambios en las condiciones en la zona de clinkerización. [ 14] 
3.4.7. ACCIONES POR PARTE DEL OPERADOR 
Con intervalos regulares el operador del horno evalúa la situación y el estado del proceso a partir 
de la información disponible con respecto a los parámetros de control. Algunos de los parámetros 
de control de que disponen son números exactos, mientras otros son impresiones deducidas a 
partir de inspecciones visuales. 
37 
El operador no sólo evalúa la situación actual, sino que también evalúa el desarrollo durante el 
último periodo de evaluación y control. Esto lo hace para prever cómo va a desarrollarse el 
proceso. Basándose en estas evaluaciones, el operador decide si hay necesidad de tomar acciones 
correctivas y cuáles son las óptimas, con el fin de mantener el proceso en un estado satisfactorio. 
Las consideraciones que hace el operador, se pueden comparar con una función diferencial en un 
regulador PID. 
Si el proceso del horno se encuentra en un estado desequilibrio o si hay tendencia a que el 
proceso del horno se desarrolle fuera del intervalo que corresponde a la situación deseada, el 
operador puede intervenir en el proceso de acuerdo con una de las dos diferentes estrategias: 
1. Mantener la alimentación del combustible y el tiro del horno y cambiar la velocidad 
del horno que, debido a la sincronización entre la velocidad del horno y la alimentación 
de la harina cruda, también significa un cambio en la alimentación de harina cruda al 
horno. 
2. Mantener constante la velocidad del horno y, por consiguiente, la alimentación de la 
harina cruda al horno y cambiar la alimentación del combustible y el tiro del horno. 
Como se menciona arriba, el operador está asistido en el control del horno por unos controladores 
automáticos PID que mantienen un parámetroconstante igual al valor consignado por el 
operador. 
ENTRE LA OPERACIÓN 3.5 RELACIÓN 
CEMENTO Y EL 
HORNO 
CONTENIDO DE NOx 
3.5.1 INTRODUCCIÓN 
DEL HORNO DE 
EN LOS GASES DEL 
Con el fin de obtener una calidad el clinker satisfactoria y una buena operación del horno, es 
necesario mantener estable la temperatura en la zona de clinkerización. Para obtener esto, es 
conveniente poder determinar la temperatura o, por lo menos, los cambios en la misma sin 
esperar demasiado tiempo. El uso de grandes hornos rotatorios en la industria del cemento ha 
complicado el monitoreo de la temperatura en la zona de cocción debido al polvo. En estos casos, 
es necesario utilizar determinaciones indirectas de la temperatura, tales como el momento de 
torsión del horno, la temperatura del casco, etc. Aunque el momento de torsión es un indicativo 
relativamente fiel de la temperatura, su desventaja es que su señal posee un importante retraso en 
el tiempo. 
Por consiguiente, se ha hecho deseable un método que identifique variaciones rápidas de 
temperatura en la zona de cocción. Con frecuencia, esta necesidad puede ser satisfecha 
determinando el contenido de NOx ( óxidos de nitrógeno) en los gases del humo del horno. Para 
hornos con un nivel normal de oxígeno en la zona de cocción, se ha mostrado que hay una fuerte 
dependencia entre la temperatura en la zona de cocción y el nivel de NOx. El retraso en el tiempo 
asociado con esta medición es relativamente pequeño. 
38 
Hay tomar en cuenta que los cambios en el NOx sólo sirve para notar cambios de temperatura en 
la zona de cocción y no la temperatura en sí. Se puede medir la temperatura observando otros 
parámetros como el momento de torsión del horno o el contenido de cal libre en el clinker. [ 15] 
3.5.2 EMISIONES DE NOx EN EL PROCESO DE CLINKERIZACIÓN 
Como se puede observar en las siguientes tablas, la emisión de gases debido a actividades del 
hombre es más baja (por el momento) que la producida por la naturaleza a excepción del S02. 
TABLA 1. Emisiones Gaseosas Producidas por el Hombre 
Gas Cantidad (x lOó Ton/año) Causa 
CH 80 - 90 Procesos de combustión y químicos 
co 190 - 640 Procesos de combustión (motores, etc.) 
C02 11,700 - 16, 300 Procesos de combustión 
NOx 40- 75 Procesos de combustión 
S02 60 - 130 Combustión por carbón y fue) 
TABLA 2. Emisiones gaseosas producidas por la naturaleza 
Gas Cantidad (x 10° Ton/año) Causa 
CH 90 - 480 Procesos biológicos 
co 60 - 5000 Incendios forestales, océanos 
C02 100,000 - 1,000,000 Procesos biológicos 
NOx 40 - 240 Combustión, descarga de bacteria 
S02 40 Volcanes 
La industria del cemento, como todos aquellos procesos que utilizan combustibles, contribuye 
con la emisión de gases producidos por la actividad humana. Sin embargo, según estudios que se 
han hecho en Alemania Occidental, la industria del cemento en su conjunto, produce menos del 
1.5% del NOx, del 0.1 % del S02 y del O, 1 % del CO producidos por el hombre. Esto quiere decir 
que realmente la industria del cemento no es una amenaza seria para la ecología. Las 
regulaciones ambientales que rigen en Alemania restringen la emisión de NOx a 635-880 p.p.M. 
por cada horno de cemento . El funcionamiento normal del horno emite una cantidad bastante 
menor a ésta. [ 15] 
39 
De acuerdo a las técnicas de formación, el NOx se divide en tres tipos: 
• NOx termal 
• NOx inmediato 
• NOx combustible 
3.5.3 NOx TERMAL 
La formación de NOx termal se lleva a cabo en la llama a más de 1200º C y depende 
fundamentalmente de la temperatura. 
Los factores decisivos para la formación del NOx termal son: 
La cantidad de oxígeno en el aire de combustión. Lo que tiene relación con el volumen de aire 
excedente. Cuanto mayor volumen de 0 2, tanto mayor la concentración de NOx. 
La temperatura de combustión. Cuanto más elevada la temperatura, tanto mayor la concentración 
de NOx. 
El tiempo de retención en la llama. Esto tiene relación a la forma de la llama y al perfil de 
temperatura en la zona de cocción (lo que a su vez está relacionado con la combustibilidad de la 
mezcla cruda y al grado de dureza a que el clínker es sinterizado). 
Las llamas dentro del horno no son homogéneas. Se puede encontrar toda clase de combinaciones 
de temperaturas y concentraciones de oxígeno, pero sólo podemos ver los valores medios 
resultantes. Ya que la relación entre temperatura y NOx no es lineal, dos llamas idénticas en 
todos los aspectos, menos en la distribución de la temperatura dentro de las varias partes de la 
llama, pueden mostrar diferentes niveles de NOx. Por eso, es imposible pronosticar el NOx de 
una temperatura media y una concentración de oxígeno media, e igualmente imposible 
determinar la temperatura de los valores conocidos de NOx y 0 2 medios. 
Además, la concentración existente de 0 2 en la llama y la manera y grado con el cual el 
combustible y el aire se mezclan, son de gran importancia para determinar la temperatura y el 
nivel potencial de NOx; esta mezcla depende fuertemente del tipo de combustible quemado y de 
su contenido de volátiles. Por eso, todos los hornos de cemento son individuales con respecto a la 
generación de NOx. [16] 
3.5.4 NOx INMEDIATO 
El NOx es generado en reacciones producidas entre el nitrógeno proveniente del aire y radicales 
del combustible tales como O, N, OH, etc. En una llama de gas natural con su alto contenido y 
gran variedad de radicales, el grado de reacción es más grande que en otras mezclas comparables 
de gas a la misma temperatura por lo que el uso de gas natural como combustible de horno 
producirá más NOx que el uso de carbón o combustóleo. En lo que se refiere a la cocción del 
clínker el NOx inmediato es insignificante. [ 16] 
40 
3.5.5. NOx COMBUSTIBLE 
El Nüx combustible se forma de los compuestos de nitrógeno contenidos en el combustible. Este 
tipo de NOx no es dependiente de la temperatura en la combustión por lo que su contribución en 
la medición de gases es constante. En el calcinador el Nüx combustible es el principal 
contribuyente en la emisión de Nüx. 
Muchos combustibles contienen compuestos orgánicos de nitrógeno. Si todo este nitrógeno fuera 
convertido en NOx, los niveles resultantes de NOx serían muy altos. Sin embargo no se ha 
encontrado ninguna relación entre el contenido de nitrógeno en el combustible y el nivel 
correspondiente de Nüx. En parte, esto se puede explicar por el hecho de que las llamas en los 
hornos de cemento son muy calientes. En una llama axial, que es típica en un horno de cemento, 
el núcleo de la llama tiene condiciones reductoras, mientras que la llama más caliente de 
alrededor tiene condiciones oxidantes. Para que el nitrógeno en el combustible influya en el nivel 
de NOx, una de las moléculas de nitrógeno tiene que encontrar una molécula de oxígeno que son 
relativamente raras en el núcleo de la llama, que es pobre en aire, antes de que pueda ocurrir la 
descomposición térmica de N2. Hasta que el NO formado haya alcanzado la superficie de la 
llama, las condiciones no se hacen oxidantes. Al mismo tiempo, la velocidad de reacción para la 
formación de NO aumenta como resultado de una temperatura más alta en los alrededores de la 
llama, es decir la parte de la llama que envuelve al núcleo de la misma; en realidad esta 
temperatura es lo suficientemente alta como para asegurar que la concentración de equilibrio de 
NO sea obtenida, o casi obtenida, a pesar del tiempo de estancia, relativamente corto, de los 
gases de la llama. Por consiguiente, al salir el gas de combustión de la parte más caliente de la 
llama se habrá acercado a la concentración de equilibrio de NO, independientemente de la fuente 
original de nitrógeno. Por eso, en un horno de cemento no hay que esperar ninguna influencia del 
nitrógeno del combustible en el Nüx. 
De los tres tipos de mencionados, sólo el primero y el tercero necesitan tomarse en cuenta al 
efectuar la cocción del clínker en hornos rotatorios. 
El aire excedente (la cantidad del oxígeno)tiene su efecto en la formación de NOx. Se ha 
demostrado que un contenido mayor de 0 2 producirá una mayor concentración de Nüx. El Nüx 
termal es el que principalmente se forma en la zona de cocción. La concentración de Nüx, en los 
gases del horno, varía notablemente según las condiciones térmicas en la zona de cocción (ya que 
reacciona instantáneamente a cambios de temperatura) y, por lo tanto, es una excelente señal para 
controlar el proceso de cocción. 
Considerando que la temperatura en la zona de cocción ejerce un notable efecto en la formación 
de NOx termal, es preciso tomar en consideración la combustibilidad de la mezcla. 
Según experiencia adquirida, la siguiente relación proporciona una indicación en cuanto al Nüx 
en p.p.M. al 10% de 0 2 en los gases del horno: 
NOx = K + k x Ca01 400°c I Caühomo donde K y k son constantes. 
Ca01440°c es la cal libre a 1400ºC según la combustibilidad teórica determinada en el laboratorio. 
Caühorno es la cal libre real en el clinker procedente del horno en cuestión. 
Según se ve, la formación de Nüx en el horno puede ser disminuida de 2 formas distintas: 
1. Reducir Ca01400°c 
41 
2. Incrementar CaOhomo 
La primera posibilidad requiere una modificación de las materias primas o una molienda más fina 
a fin de que la alimentación al horno se torne más fácil para la cocción. La otra posibilidad es la 
de tender hacia un contenido más alto de cal libre en el clinker, lo que a su vez significa una 
temperatura más baja en el horno. 
El NOx es medido como tanto por ciento en volumen de NO. Con propósitos de comparación, las 
concentraciones son corregidas a un % determinado de 0 2; frecuentemente se utiliza gas seco, 
10% de 0 2 ó 3% de 0 2. 
La siguiente fórmula es aplicable para conversión según medida de un % dado de 0 2 a x % de 0 2: 
p.p.M. NOx a x% de 0 2 = p.p.M. NOx según medido (20.95 x) / (20.95 - % de 0 2 según 
medido) 
Otra unidad es mg / Nm3 . Para convertir a p.p.M.: 
mg de NOx / Nm3 = p.p.M. de NOx x 2.05 
Resumiendo, los factores que contribuyen a la formación de NOx son: 
En el horno: 
• Aire en exceso 
• Temperatura 
• Aptitud de cocción de la harina cruda 
• Perfil de temperatura de la zona de cocción 
En el calcinador: 
• Aire en exceso 
• Contenido de N en el combustible 
• Temperatura 
• Contenido de volátiles en el combustible 
En conclusión, es necesario un riguroso control del aire en exceso, tanto en el horno como en el 
calcinador, para mantener el NO en el mínimo. Para conseguir una baja concentración de NO, es 
necesario usar una alta precalcinación y una baja temperatura en la zona de cocción. Si no se 
pueden alcanzar los límites requeridos para concentración de NO con el proceso de producción 
existente, se pueden usar otros métodos, por ejemplo, la inyección de NH3 (amoniaco) en el 
fondo del precalentador. [ 16] 
42 
3.5.6 MOMENTO DE TORSIÓN DEL HORNO Y NOx 
Un aumento de la temperatura del material en la zona de cocc1on produce normalmente un 
aumento de la cantidad de material adherido al refractario y una cierta acumulación o 
aglomeración del material. Como consecuencia de esto, la inercia del horno aumentará en 
general, dando como resultado un aumento de la energía eléctrica requerida para la rotación del 
horno. Por esto, no es sorprendente que haya una buena correlación entre NOx y el momento de 
torsión del horno. Es evidente que se requiere un cierto tiempo antes de que se haya acumulado la 
suficiente cantidad de material para efectuar el momento de torsión del horno y, por esta razón, se 
puede esperar un retraso entre el cambio en NOx y el cambio correspondiente en los amperes 
que consume el horno. La extensión de este retraso depende en parte de la sensibilidad de 
medición de los amperes del horno. 
La experiencia indica que las fluctuaciones de NOx de corta duración no se pueden reflejar en 
los cambios en el momento de torsión del horno o en otros parámetros significativos. Sólo los 
cambios con una duración superior a los 15 minutos pueden ser revelados posteriormente por la 
lectura del momento de torsión del horno. Por consiguiente, antes de modificar las condiciones 
del horno de acuerdo con los cambios en el nivel de NOx, es conveniente estar seguro de que 
dichos cambios son lo suficientemente duraderos como para ser significativos. Esto es un 
resultado del hecho de que los cambios de temperatura indicados por pequeños cambios en el 
nivel de NOx pueden tener poca o ninguna importancia en un lugar tan caliente como lo es le 
horno rotatorio para cemento, especialmente cuando estos cambios son de corta duración. 
En la figura 7 se observa la relación entre el NOx y el momento de torsión del horno en función 
del tiempo (horno largo de vía húmeda). Por claridad se suprimieron las fluctuaciones de muy 
corta duración. Se puede ver claramente el tiempo de retraso. 
250 T- -- -- -- --------T 60 .5 
200 ~ ./'----'·--~-~ + 50 ~ 
I1sof ~ / - \J•o ~~ 
>< 100 l~ __ ~ ~ · Torsión J 30 0 .S 
~ 1 + 20 e: .s 
50 1 ,~ 10 E~ 
O +-r-,,---,--,--,-, -- r-1 -,----,-- -,----,-,-,---c-T~, -, - -~ O ,g ~ 
,.:::; ~ 
~ M ~ ~ m M ~ ~ m ~ M ~ 
T"""T"""T"""T"""C\JC\IC\J 
Tiempo (horas) 
Fig. 7. Relación entre el Nüx y el Momento de Torsión 
La figura 8 muestra los mismos parámetros trazados en función del tiempo; esta vez el horno 
tiene un precalentador de una etapa con una producción de 1050 ton / día. En este caso el retraso 
es más corto, quizá de 30 minutos. En los dos casos los cambios de NOx preceden al cambio en 
el momento de torsión del horno con un aumento de tiempo suficiente para permitir ajustes en el 
combustible alimentado o el flujo de aire, y así mantener la temperatura dentro del rango 
deseado. 
160 ----- -· ·- - - 23 .g 
140 -i "N" 
- 120 l . NOx , , . . - 21 
E '~ - ~ I "'!" . 
! 1~~] . ~~~ )L \¡ ~ 19 
~ 6ºri ¡ 
z 40 , Torsión. _;_ 17 
·¡¡¡ ... 
~ 
G) 
"C -o 11) 
- G) e: ... 
G) G) 
20 i I 
O +--r -,-- r ~-,---,---,-------,--¡----,---c---,----¡--·-· ,-~ +- 15 
E c. 
o E 
~~ 
(") lO ,..... O) 
Tiempo (horas) 
Fig. 8. Relación entre el Nüx y el Momento de Torsión 
(Horno con Precalentador de l etapa). 
43 
Frecuentemente, el momento de torsión del horno no sigue la misma pauta que el Nüx. Una 
reducción paulatina del Nüx se puede deber a una atmósfera reductora dentro de la zona de 
cocción por lo que no se registrará una reducción subsiguiente del momento de torsión. En otras 
ocasiones, un aumento de NO se puede deber a un aumento de oxígeno. A veces, se observa un 
aumento de NOx sin que se registre un aumento del momento de torsión cuando está caliente el 
horno; esto puede ser una señal de peligro porque indicaría un aumento de fase líquida del 
clinker. [ 17] 
3.5.7 CAL LIBRE Y PESO POR LITRO EN FUNCIÓN DE NOx 
La cal libre y el peso por litro son dos parámetros que se usan frecuentemente para evaluar si el 
clinker ha sido cocido de forma adecuada. Debido a que los dos parámetros dependen de la 
temperatura, es razonable esperar que ellos también muestren una correlación con el nivel de 
NOx. La figura 9 muestra la relación entre la cal libre y el NOx en función del tiempo para un 
horno con precalentador, con una producción de 3100 ton / día. El retraso entre el registro de 
Nüx y el cambio correspondiente en la cal libre es de l hora, aproximadamente. Este retraso 
puede permitir ajustes en la zona de cocción a tiempo para prevenir la producción de clinker 
insuficientemente cocido que contenga cantidades de cal libre inaceptables o clinker recocido, lo 
que representaría una pérdida de combustible y dificultades en la molienda. 
450 
400 
350 
e 300 4 
~ 250 ~ 
";' 200 ~ 
0 1 z 150 
100 
50 
Nüx 
• 1 
-~ 1 
1 
_+ 0.5 
~ M ~ ~ m ~ M ~ ~ m ~ M ~ 
,-,-,-,-,-NNC\J 
Tiempo (horas) 
Fig. 9. Relación entre el Nüx y la Cal Libre 
-~ o -CI) ... 
.e 
:J 
ca o 
44 
En el caso de que la cal libre muestre una mala correlación con el nivel de NOx, es casi seguro 
que ha habido un cambio en la composición del clinker, como resultadode variaciones en la 
alimentación de crudo o por cambios bruscos en el consumo de combustible con alto contenido 
de ceniza. Como se desprende de todas las correlaciones, es imprescindible asegurar una 
velocidad de alimentación uniforme, con variaciones mínimas con respecto a la composición. 
De una manera similar a la cal libre, el peso por litro de cemento sigue el NOx con un retraso de 
2 - 3 horas, aproximadamente, dependiendo del tiempo en el enfriador. La figura 4 muestra un 
buen ejemplo de esta dependencia.[ 18] 
250 r~ __________ -~- ________________ ¡ 1400 ci 
200 ,_ _ Peso_ - ¡· /'' . ; 1350 ~ 
'[ 150 .f..: • . • \.t 1300 ~ 
-; ; ... ~.. l 12so8. 
O 1ºº Nüx - - •. 1 1200 ~ z CI) 
50 
1 
1 
O -~--,---- ~--1---r-¡---¡--,--:-rT- ;-----r-¡~----1-1·1-,----r- .--~-
~ M ~ ~ m ~ M ~ ~ m ~ M ~ 
,-,-,-,-,-NC\JN 
Tiempo (horas) 
Fig. 1 O. Relación entre el Nüx y el Peso 
a. 
1150 
1100 
45 
3.6 RESUMEN DEL CAPITULO 
Los métodos directos existentes para determinar los cambios en la temperatura en la zona de 
cocción, como por ejemplo el uso de un pirómetro, por regla general no se pueden considerar que 
sean fidedignos, dado que la accesibilidad al interior del horno es muy baja. 
Los métodos indirectos, como la medición del momento de torsión del horno, temperatura 
exterior del casco del horno, cal libre en el clinker, etc., en cierto grado pueden informar sobre 
cambios en esa temperatura, pero la información, especialmente basándose en la temperatura del 
casco y la cal libre, generalmente está asociada con un apreciable retraso que frecuentemente 
reduce la utilidad de esas mediciones para el control del horno. 
Sin embargo, recientemente se ha observado que la concentración de NOx en los gases de salida 
del horno cambia rápidamente en función de las variaciones en la temperatura de la zona de 
cocción, suponiendo que haya presencia de oxígeno suficiente. Se ha observado también que 
existe una relación entre este gas y otras variables importantes del horno como el momento de 
torsión del horno, el nivel de álcalis, cal libre y peso por litro de clinker. 
Debido a estos resultados, se puede concluir que una medición continua de NOx en los gases que 
salen del horno, puede ser una de varias medidas que ayudarán al operador a establecer una 
temperatura en la zona de cocción y de esa manera asegurar una prolongada vida útil del 
refractario y una mejor y más uniforme calidad del clinker. 
46 
CAPITULO 4 
SISTEMAS EXPERTOS Y RESUMEN DEL PROYECTO 
4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EXPERTOS 
Un sistema experto es un programa de computadora que emula el comportamiento de un 
operador experimentado. 
Tal sistema puede satisfacer completamente una función que normalmente requiere experiencia 
humana. El que hace las decisiones puede ser también un operador experto por lo que el 
programa servirá como un asistente. 
La tecnología de los sistemas expertos deriva de investigaciones sobre Inteligencia Artificial (Al) 
que es una rama de las ciencias computacionales que se ocupa del diseño e implementación de 
programas que sean capaces emular las habilidades aprendidas del hombre tales como la 
resolución de problemas, percepción visual y comprensión del lenguaje. 
Tareas típicas de los sistemas expertos son interpretación de datos ( como las señales del sonar), 
diagnosis de fallas y enfermedades, análisis estructural de materiales complejos (tales como 
algunos compuestos químicos), configuración de objetos complejos (circuitos electrónicos, 
estructuras, maquinaria, etc.) y ejecución de secuencias de acciones. 
4.1.1 CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA EXPERTO 
Un sistema experto se distingue de programas computacionales más convencionales en que: 
• Simula el razonamiento humano en la forma de resolver un problema más que simular el 
problema en sí. 
• Realiza razonamiento basado en conocimiento humano, realiza los cálculos matemáticos y el 
trabajo de obtención de datos. La experiencia es normalmente expresada en un lenguaje 
especial en el programa y se mantiene separada de código que realiza el razonamiento. Estos 
dos módulos son conocidos como base de conocimiento y mecanismo de inferencia 
respectivamente. 
• Resuelve los problemas con un método aproximativo el cual, a diferencia de otros métodos, no 
garantiza una solución correcta en el 100 % de los casos. Este método aproximativo envuelve 
una serie de reglas basados en el sentido común y en la experiencia del hombre, de modo que 
no requiere de datos perfectos y las soluciones derivadas del sistema pueden tener diferentes 
grados de certidumbre. 
Un sistema experto difiere de otros programas basados en inteligencia artificial en que: 
• Muchos programas Al son herramientas de investigación por lo que se enfocan sobre 
problemas abstractos o versiones simplificadas de problemas reales. Los sistemas expertos, 
por otro lado, resuelven problemas de genuino interés industrial y comercial. 
47 
• Un sistema experto debe exhibir un alto rendimiento en términos de velocidad y eficacia de 
modo que su rentabilidad como producto comercial esté garantizada. 
• Un sistema experto debe ser capaz de explicar y justificar soluciones para convencer al usuario 
de que la solución es correcta. Esto quiere decir que esta clase de programas es comercial 
necesariamente. 
4.1.2 ADQUISICIÓN DE LA EXPERIENCIA 
Adquisición de la experiencia la definimos como la transferencia y transformación del potencial 
de resolución de problemas desde una fuente de experiencia a un programa de computadora. 
Esta transferencia es normalmente lograda por una serie de largas e intensas entrevistas entre un 
ingeniero que está creando el sistema experto que, por lo general es un especialista en 
computación, y un operador experimentado. Se estima que esta forma de trabajar produce entre 2 
y 5 reglas por día. Este más bien bajo rendimiento ha conducido a los investigadores a considerar 
esta etapa como un cuello de botella. 
He aquí algunas de las razones por las cuales la productividad en esta etapa es tan pobre: 
• El trabajador experimentado usa por lo general una serie de términos que el especialista 
creador de sistemas expertos no conoce. 
• Es común que el operador experto no sepa definir en términos numéricos ciertos parámetros 
tales como "muy rápido", "situación peligrosa", "baja presión", etc. 
• La ocurrencia de ciertos eventos cruciales para el proceso pueden ser completamente al azar 
de modo que ni el operador más experto pueda decir la probabilidad de ocurrencia de tales 
eventos. 
• Si se quiere crear un sistema experto que mejore la eficacia del control con respecto con los 
operadores humanos, el especialista en computación tendrá que adquirir un conocimiento 
acerca del proceso que en algunos casos puede ser bastante grande. 
4.1.3 REPRESENTACIÓN DEL CONOCIMIENTO 
Esta área está en la frontera entre Al y la ciencia cognitiva. La ciencia cognitiva estudia la forma 
en que la información es almacenada y procesada por el cerebro humano. 
Algunos investigadores de Al han realizado un buen esfuerzo para construir lenguajes 
representativos, esto es, lenguajes de computadora que se orienta a organizar descripciones de 
objetos e ideas más que establecer una secuencia de instrucciones para interactuar con la 
máquina. 
4.1.4 APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 
Esta área se relaciona con la planeación y el control al solucionar un problema. Al diseñar un 
sistema experto se tiene que poner atención a los detalles de cómo el conocimiento es accesado y 
aplicado en la búsqueda de una solución. Saber que uno sabe y saber cuándo y cómo usar el 
conocimiento es una parte importante de la experiencia y, por lo tanto, de un sistema experto. 
48 
4.1.5 EXPLICACIÓN DE SOLUCIONES 
Esto implica el hecho de cómo ayudar al usuario a entender la estructura y la función de algunas 
partes complejas del software e involucra una nueva relación con AI de algunas ciencias tales 
como la sicología y la ergonomía. 
Tal vez la primera pregunta quesurge en la mente de un posible consumidor es "¿ un sistema 
experto resolverá mi problema?" y la respuesta podría ser "depende". Depende de varios factores: 
• La naturaleza del problema. Puede ser que el problema demande una tecnología todavía no 
existente. 
• La habilidad para analizar la tarea y la experiencia de forma tal que un programa de 
computadora, usando formas limitadas de razonamiento, pueda realizar la tarea. 
• La disponibilidad de cierta cantidad de experiencia.[18] 
4.2 PRINCIPIOS DE LA LÓGICA DIFUSA. 
4.2.1 TIPOS DE INCERTIDUMBRE 
Muchas disciplinas matemáticas tratan con la descripción de incertidumbres tales como la 
probabilidad, las teorías de información y la teoría de los conjuntos difusos. Es conveniente 
clasificar los tipos de incertidumbre que se tratan en los conjuntos difusos: la estocástica y la 
léxica. 
Incertidumbre Estocástica. Este tipo de incertidumbre trata con la incertidumbre hacia la 
ocurrencia de algo. Por ejemplo: "la probabilidad de dar en el blanco es de 0.8". El evento (dar en 
el blanco) está bien definido; pero la incertidumbre radica en si se dará en el blanco o no. 
Oraciones como ésta pueden ser procesadas y combinadas con otras usando métodos estocásticos, 
tal como el cálculo Bayesiano de probabilidad condicional. 
Incertidumbre léxica. Este tipo está relacionado con el lenguaje humano, con la imprecisión que 
es inherente en la mayoría de las palabras humanas usadas para evaluar conceptos y derivar 
conclusiones. Por ejemplo: "hombres buenos", "días calientes", "condiciones estables", etc. Si un 
hombre es considerado "bueno" depende de la persona que lo considere: para unas personas será 
bueno, mientras para otras no. Un día caliente puede parecerle a alguien que viene de Canadá, 
más no a alguien que viene de Arabia, etc. 
Pocas oraciones pueden describir contextos complejos que sería muy difíciles de modelar con 
precisión matemática. Considere la siguiente oración: "probablemente tengamos financieramente 
un buen año". Aquí el evento no está bien definido porque un buen año puede significar cosas 
diferentes y la probabilidad de ocurrencia tampoco está definido. 
Oraciones como la anterior juegan un papel importante a la hora de que los humanos toman una 
decisión. Aún cuando estas oraciones no contienen datos matemáticos, el ser humano las usa para 
evaluar exitosamente situaciones complejas. 
4.2.2 LÓGICA DIFUSA COMO LÓGICA HUMANA 
La idea central es: en realidad, no se puede establecer una regla tajante salvo para unos pocos 
casos. Los humanos utilizamos puntos de referencia dentro de nuestro universo de conocimiento 
49 
y combinamos varias reglas ciertamente ambiguas o difusas que nos da una determinada 
consecuencia. Esta forma de tomar decisiones es flexible y humana. 
Para implementar esta lógica humana en soluciones ingenieriles, se reqmere un modelo 
matemático. Lógica difusa ha sido desarrollada como ese modelo matemático que permite 
representar la lógica humana como un algoritmo, que es posible programar. 
4.2.3 CONJUNTOS DIFUSOS 
Consideremos lo siguiente: "el 60% de los enfermos de hepatitis tienen fiebre". La mayoría de 
los doctores están de acuerdo en que una persona tiene fiebre cuando tiene una temperatura de 
39º. 
36 
Fig. 11. Conjunto Difuso 
Sin embargo, puede haber personas con 39.1 º y que no tengan fiebre o personas con 38.5º y que 
tengan fiebre. Entonces, sería más adecuado decir algo como "el 90% de las personas que 
tengan 39º o más tienen fiebre", "el 60% de las personas que tengan 38.5º o más tienen fiebre", 
etc. En la figura 11, el grupo más oscuro es aquel con las personas con alta probabilidad de fiebre 
y las zonas grises, las de menor probabilidad, vemos que la frontera del grupo se ve como difuso. 
Con esta lógica podríamos decir que la probabilidad de que una persona tuviera fiebre con 36º de 
temperatura sería de cero. 
35 36 37 38 39 40 41 ºC 
Fig. 12. Grado de Probabilidad de Ocurrencia de una Temperatura 
El grado de probabilidad de fiebre se puede representar con una función lineal como se ve en la 
figura 12. Pero ¿no sería apropiado considerar que una persona que tenga 38º tiene una 
probabilidad de fiebre de 40%, pero que tienen cierta probabilidad de aumentar su temperatura?, 
o sea, que a una marca de temperatura tiene una probabilidad de algo y, al mismo tiempo, cierta 
probabilidad de otra cosa. De la misma forma que hicimos un grupo difuso para los que tienen 
fiebre, se podría hacer otro para los que aumentarán su temperatura, otro para los que tienen una 
temperatura normal y otro para los que la tiene baja. 
50 
Baja Fiebre aumentando Fiebre alta 
35 36 37 38 39 40 41 ºC 
Fig. 13. Niveles Difusos 
Poniendo todos los grupos en la misma escala, obtendríamos una gráfica como la que tenemos 
arriba. Se puede observar que para una temperatura de, por ejemplo, 38º el diagnóstico sería algo 
como "casi seguro que aumente su temperatura y ligera probabilidad actual de fiebre". [ 19] 
4.3 CONTROLADORES DIFUSOS 
4.3. t. FUSIFICACIÓN 
Tomemos como ejemplo el caso de cuando se opera un horno para la fabricación de clinker. El 
operador vigila entre 5 y 10 variables constantemente y, entre ellas, la cantidad de óxidos de 
nitrógeno que aparecen en la entrada del horno. El operador considera que un rango de NOx entre 
200 y 400 ppM son normales y niveles por encima y abajo de ese rango se consideran altos y 
bajos respectivamente. El operador se guía mediante las siguientes reglas: 
• Si el Nüx es bajo, entonces bajar alimentación en 10 Ton I hr. 
• Si el Nüx es normal, entonces no hacer nada 
• Si el NOx es alto, entonces aumentar alimentación en 5 Ton I hr. 
La diferencia entre las dos acciones del operador se debe a que una tendencia a enfriamiento es 
más difícil de controlar que una tendencia de calentamiento por lo que su acción correctiva para 
el enfriamiento es más enérgica. 
La representación lineal para el NOx se presenta a continuación: 
;¡- 120 -r-~-~-~~~~~~~~~~~~~-~~-~-~~~~-, 
~ 100 ------
-g 80 
;g 60 
'.g 40 -
°8 20 ... 
a.. o , 
o 100 200 300 
NOx (ppM) 
400 
~ - o 
500 600 
Fig. 14. Niveles Difusos para el NOx. 
-=-=- sÁJo -¡ 
---Ir- MEDIO i 
__ _ A_L T_() _ 1 
51 
Si tuviéramos un valor de 120 ppM, 
Prob 
Bajar Crudo l O Ton/hr No Hacer Nada 
100 120 200 
NOx 
4.3.2. BASE DE CONOCIMIENTO (REGLAS E INFERENCIA) 
Las reglas en lógica difusa definen la táctica que se utilizará para controlar la planta o el sistema. 
Constituyen el núcleo del controlador. Por lo general, constan de dos premisas y una 
consecuencia. Las premisas suelen estar unidas con la conjunción "AND", aunque a veces estén 
unidas por "OR". También, suele haber más de dos premisas. 
La parte 'IF' describe la situación, para la cual las reglas son designadas. La parte 'THEN' 
describe la respuesta del sistema difuso en esta situación. El grado de importancia (DoS) es usado 
para evaluar cada regla de acuerdo a su importancia. 
El proceso de las reglas comienza con el cálculo de la parte 'IF'. El tipo de operador del bloque 
de reglas determina el método a usar. Los operadores disponibles son MIN-MAX . 
Por ejemplo: 
MIN-MAX, valor O Operador Mínimo (MIN) 
MIN-MAX, valor 1 Operador Máximo (MAX) 
El operador mínimo es una generalización de 'ANO'; el operador máximo es una generalización 
de 'OR'. 
La composición difusa eventualmente combina las diferentes reglas para llegar a una conclusión. 
4.3.3. DEFUSIFICACIÓN 
Una vez que se evalúan las reglas, es necesario convertir en valores numéricos los valores 
lingüísticos de las variables de salida. Existen varios métodos para realizar esto de los cuales dos 
son los más conocidos: 
4.3.3. l Método del Centro de Área: 
Este método consiste en encontrar una línea que divida en dos partes iguales el área bajo las 
gráficas involucradas en el cálculo. Las gráficas tendrán una altura correspondiente al porcentaje 
de pertenencia: 
52 
Si Nüx = 120 ppM, entonces tenemos que esta cantidad de Nüx corresponde a 80%bajar y 20% 
no-hacer-nada: 
Calculamos las áreas debajo de las gráficas: 
100% _ 
80% ------~ 
A 
20% -
100 
-lA: 0.8 (100) = 80 
B : 0.8 (100) / 2 = 40 
e : 0.2 < 100) 1 2 = 10 
D : 0.2 (200) = 40 
E : 0.2 ( 100) / 2 = 10 
ÁREA TOTAL = 180 
200 
o 
D 
400 500 
1 
La mitad del área total (90) será marcada por una línea que esté entre 100 y 200 ppM. 
Tenemos que encontrar el valor X con el cual las áreas a la izquierda ( o a la derecha) de tal línea 
sea igual a 90. 
Prob 
80% 
20% 
100 200 
X 
53 
Como el área A es de 80, calcularemos la posición de X sabiendo que la suma de las áreas bajo 
las curvas de B y C acotadas por 100 y X será 1 O unidades. 
Calcularemos las áreas bajo las rectas de B y de C. Después, encontraremos la posición X tal que 
la suma delas áreas bajo las rectas sea 1 O. 
y 
y 
~y m -
1 
- ~X 100 
- 0.8 
-0.008 
y = - 0 . 008 X + b I 
y = 0 . 8 => X = 100 
=> o. 8 = - o. 008 (100 ) + b I 
b, = 0.8 + 0.8 = 1.6 
Y¡ = - . 008 X + 1 . 6 
y 
y 
mx + b 
m 
2 
= ~ y O · 2 O . 002 
~X 100 
y = 0 . 002 X + b 2 
y = 0 . 2 => X = 200 
=> o . 2 = o . 002 ( 200 ) + b I 
b2 = 0.2 - 0.4 = -0.2 
y ? = 0 . 002 X - 0 . 2 
I' y 1dx + J' Yodx = 10 => J' (-0.008x + l .6)dx + J' (0.002x - 0.2)dx = 10 ()() ()() - ()() ()() 
Resolviendo, obtenemos el valor de X= 113.15. 
4.3.3.2 Método del Centro de Momentos: 
lOOo/c 
0.8 
----225 ----) 
0.2 
300 
Vimos que una cifra de 120 ppM de NOx corresponde a un 80% de nivel bajar y a un nivel de 
20% de nivel no-hacer-nada. 
Este método consiste en colocar una fuerza correspondiente a 0.8 en el centro de área de la 
gráfica del nivel bajar (75 ppM) y una fuerza de 0.2 en el centro de la gráfica del siguiente nivel 
54 
(300 ppM). Posteriormente, se calcula el punto de equilibrio de los momentos resultantes de las 
dos fuerzas: 
80 d = (225 - d) 20 -+ 80 d = 4500 - 20 d 
80d + 20 d = 4500 -+ d = 45 
Tenemos que el punto de equilibrio se encuentra en 120 ( 45 + 75 = 120). 
Vemos que los resultados de ambos métodos varían ligeramente, pero el método del centro de 
momentos es más utilizado por su simplicidad. 
Si tomamos en cuenta que x = O corresponde a bajar la alimentación 10 Ton/hr y x = 200 
corresponde a no hacer nada, la acción correspondiente a x = 120 será una proporcional a los 
valores dados arriba: 
Acción = 10 (120 - 200)/ 100 = -8 
Entonces, la acción a realizar será reducir la alimentación de crudo al horno en 8 Ton/hr si el 
nivel de NOx es de 120 ppM. 
Prob 
80% 
A 
20% 
JOO 
l X= 113.15 l 
-1 o 
4.4. DISEÑO DEL SISTEMA EXPERTO DIFUSO 
4.4.1 CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO 
Diseñar un sistema de control mediante lógica difusa exige seguir un método para la adecuada 
conclusión del proyecto. Aquí se sugiere uno que puede guiar a los neófitos en este campo: 
55 
4.4.1.1 Evaluación Preliminar: 
• ¿La Lógica Difusa ha sido previamente aplicada en algún proyecto similar con éxito? 
• ¿Es un problema de control del tipo multivariable? 
• ¿Poseen los operadores o los ingenieros conocimientos acerca de las interdependencias 
de las variables de proceso? 
• ¿Puede algún conocimiento posterior acerca del comportamiento del proceso ser 
conocida mediante observación o experimentos? 
• ¿Es difícil obtener un modelo matemático del proceso?. 
4.4.1.2 Primera Revisión: 
Preparación: 
• Auditores: Familiarización con la técnica del control. Elaboración del cuestionario 
específico. 
• Operadores de Planta: Documentación sobre el sistema de control y registro existentes. 
Descripción de todos los sensores y actuadores de proceso relevantes (incluyendo 
valores Min/Max, tolerancias y gráficas de registro del comportamiento típico de las 
variables). 
Acción: 
• Análisis de las variables de entrada 
• Análisis de las variables de salida. 
• Análisis del comportamiento típico o normal. 
Primer reporte: Resumen escrito por los auditores. Revisión y aceptación por parte de los 
operadores de planta. 
4.4.1.3 Elaboración del Prototipo: 
• Definición de la estructura del sistema. 
• Creación de las variables lingüísticas. 
• Formulación de los universos de discurso. 
4.4.1.4 Segunda Revisión: 
Preparación: 
Auditores: Preparación del prototipo para una prueba, creación de un cuestionario con 
todos los asuntos pendientes. 
Acción: 
• Juntas donde se traten las inconsistencias y puntos pendientes de la primera revisión. 
• Revisión del primer y segundo reportes. 
• Definición de procedimientos para un arranque seguro del sistema de control (no 
desequilibrar el proceso o forzar las especificaciones de seguridad). 
Segundo reporte: Resumen escrito por los auditores, previa revisión y visto bueno de parte 
de los operadores. 
4.4.1.5 Optimización fuera de línea: 
Afinación y agregación de datos adicionales al prototipo elaborado a partir de la primera 
revisión. 
• Revisión de las variables lingüísticas. 
• Revisión y agregación a los universos de discurso 
56 
• Uso de software de simulación existente en la planta. 
• Uso de registros de las variables control para probar el prototipo. 
4.4.1.6 Implementación: 
• Implementación sobre el hardware del proceso. 
• Conexión del hardware al PC de control. 
• Integración del software de control. Implementación del Post y Pre-Proceso 
• Creación de las funciones de seguridad (límites, manual de operación de switches, ... ). 
4.4.1.7 Optimización del Controlador Lógico Difuso: 
• Operación del sistema de control en lazo abierto para observar el comportamiento del 
controlador. 
• Operación "supervisada" para afinar las reglas y las funciones de pertenencia. 
• Optimización del comportamiento del controlador analizando diferentes posibilidades 
hipotéticas. 
4.4.1.8 Documentación: 
• Crear la documentación de la estructura, reglas y gráficas del sistema de control. 
• Crear los reportes de las revisiones y reporte final. [21] 
4.4.2. REQUERIMIENTOS 
Los requerimientos son aquellas prioridades u objetivos que el operador toma en cuenta para 
operar el horno. Se mencionan según su importancia: 
1. Mantener el CO bajo control 
2. Vigilar temperatura de la coraza 
3. Mantener el Oxígeno en nivel medio 
4. Mantener calidad del producto 
5. Maximizar la producción 
6. Optimizar consumo energético 
4.4.3. RESTRICCIONES 
Por cuestiones de seguridad o para mantener el nivel de calidad, existen algunas restricciones en 
la operación del horno. Se mencionan según su importancia: 
1. Monóxido de Carbono menor a 0.38 % 
2. Temperatura de la Coraza menor a 320º C 
3. Contenido de Cal Libre entre 0.4% y 1.7% 
4. Producción mayor a 160 Ton/hr 
57 
4.4.4. REGLAS 
La parte 'IF' describe la situación, para la cual las reglas son designadas. La parte 'THEN' 
describe la respuesta del sistema difuso en esta situación. El grado de importancia (DoS) es usado 
para evaluar cada regla de acuerdo a su importancia. 
El proceso de las reglas comienza con el cálculo de la parte 'IF'. El tipo de operador del bloque 
de reglas determina el método a usar. Los operadores disponibles son MIN-MAX . 
Por ejemplo: 
MIN-MAX, valor O = 
MIN-MAX, valor 1 = 
Operador Mínimo (MIN) 
Operador Máximo (MAX) 
El operador mínimo es una generalización de 'ANO'; el operador máximo es una generalización 
de 'OR'. 
La composición difusa eventualmente combina las diferentes reglas para llegar a una conclusión. 
4.4.4.1 Bloques de Reglas 
Los bloques de reglas contienen la estrategia de control de un sistema lógico difuso. Cada bloque 
de reglas confina todas las reglas en el mismo contexto. Un contexto es definido por las mismas 
variables de salida y de entrada. 
Para propósitos de claridad, las reglas que tienen un objetivo similar suelen agruparse. En este 
proyecto se dividieron las reglas en 6 bloques. La descripción de la función de cada grupo se 
describe a continuación: 
• Bloque 1: Mantiene el nivel del CO dentro de un rango normal. Como se mencionó, el 
CO es explosivo si llega a ciertos límites. El filtro de polvos que hay después del 
precalcinador usa unas placascargadas electroestáticamente en las cuales se generan arcos 
eléctricos de ves en cuando. Cualquiera de estos arcos iniciaría la ignición del CO si 
estuviera en ciertas concentraciones. 
• Bloque 2: Controla la temperatura de la coraza. Para el horno es vital que la temperatura 
de la coraza no pase de ciertos límites. Una temperatura demasiado alta en una zona 
puede deformar la cubierta o, en casos extremos, perforarla. 
• Bloque 3: Mantiene el nivel del oxígeno dentro del rango permisible. Esta variable tiene 
que ver con la calidad de la combustión. Mucho oxígeno indica exceso de aire y probable 
enfriamiento ulterior. 
• Bloque 4: Vigila el nivel de cal libre. Este es el principal indicador de calidad del 
cemento. La cal libre indica la descarbonatación del material en el proceso químico de la 
cocción. La calidad óptima del cemento está señalada por nivel preciso de cal libre. 
• Bloque 5: Manipula los niveles de crudo y combustible para eficientizar el proceso. Una 
ves controladas las variables arriba citadas, el siguiente paso será alcanzar un nivel de 
rendimiento adecuado del horno. 
• Bloque 6: Vigila los indicadores de NOx . Nos da una indicación rápida de la tendencia 
del proceso de combustión a calentarse o enfriarse y por ende, es una indicación para 
manipular el combustible en el precalcinador. 
Para ver las reglas en detalle, favor de pasar al anexo A. 
58 
Diagrama de los Bloques de Reglas: 
MIN 
co co AIRE 
MAX 
MIN 
COMB1SAL TEMPCOR TEMPCOR CRUDOSAL AIRE 1~0t< 
M.t>X 
MIN 
OXIGENO OXIGENO AIRE 
M.t>X 
COMB1SAL (.jí-1' Có.LLIBRE 
MIN 
Có.LLIBRE COMB1SAL COMB1 CRUDOSAL CRUDO 
MAX 
CRUDOSAL Col< COMB1 
MIN 
COMB1 COMB1SAL CORRIENT ... CORRIENTEM ... 
CRUDO CRUDO SAL 
M.t>X 
MAGNITU ... 
MIN 
COMB2 (,:,~'· r MAGNITUDNOx TENDENCI. .. COMB2 ,\ / TENDENCIANOx 
4.5 APLICACIÓN DE UN SOFTWARE DE SIMULACIÓN 
En la parte 4.4.1 de esta tesis sugerimos un criterio general de diseño de un sistema de control 
usando lógica difusa. 
La secuencia sugerida es: evaluación preliminar, primera revisión, elaboración del prototipo, 
segunda revisión, optimización fuera de línea, etc. Pues bien, para la optimización fuera de línea, 
es imprescindible contar con un buen paquete de simulación del control difuso de modo que 
pudiendo interactuar con un modelo del objeto a controlar ( o, en su defecto, aplicando el control 
59 
directamente sobre la planta) podamos a un a velocidad razonable, pulir y corregir la actuación 
del controlador antes de aplicarlo definitivamente sobre la planta. 
Lamentablemente, la mayoría de las veces no se cuenta con un modelo del objeto (ya no digamos 
un modelo fiable, ¡ni siquiera un modelo!) a controlar con el cual podríamos desde la comodidad 
de la oficina, crear un controlador confiable de suerte que tuviéramos la seguridad de que, al 
aplicarlo, no ocasionáramos un desbarajuste fatal (e aquí la importancia y futuro que pueden tener 
los programadores y el software especializados en crear modelos de calderas, hornos, 
mecanismos, etc.). 
Sin embargo, hoy en día ya hay simuladores de control difuso bastante buenos y fácilmente 
disponibles que en algo ayudan a mejorar el controlador. Para el caso que nos ocupa experimenté 
con el toolbox de lógica difusa del Matlab ® tomando como muestra el último bloque de reglas 
(bloque 6). Con este bloque se pretende eficientizar el consumo energético observando el nivel y 
la tendencia del cambio del Nüx. 
Para ver los resultados del uso del toolbox con más detalle, favor de pasar al anexo F. 
4.6 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 
Tabla 3. Estadísticas del Provecto 
lv ariables de Entrada Lingüística ~ 
IV ariables de Salida Lingüística ~ 
!Bloques de Reglas k, 
!Reglas 166 
!Funciones de Pertenencia 151 
Tabla 4. Variables Lingüísticas 
!Nombre de la Variable !Niveles 
CALLIBRE lbaja, media, alta 
to lbaja, alta 
::OMBl tmuy baja, baja, media, alta, muy alta 
CORRIENTEMOTOR lbaja, normal, alta 
CRUDO baja, media, alta, muy alta 
MAGNITUDNOx lbaja, media, alta 
OXIGENO lbaja, normal, alta 
TEMPCOR baja, normal, caliente, muy caliente 
lfENDENCIANOx alto_dec, pequeño_dec, estable, pequeño_inc, alto_inc 
AIRE tmuy baja, baja, media, alta, muy alta 
COMBlSAL tmuy baja, baja, media, alta, muy alta 
COMB2 tmuy baja, baja, media, alta, muy alta 
CRUDOS AL baja, media, alta, muy alta 
Para observar en detalle las gráficas de las variables lingüísticas, favor de referirse al anexo B. 
Los valores de las entradas y salidas son listados abajo. 
Tahla 5: Base de Variables 
Nombre de Variable Min Max Default Unidades 
CALLIBRE 0.2 !2 1.1 Porcentaje 
co 0.3 0.4 0.35 Porcentaje 
COMBl 6000 9000 r?500 litros por hora 
CORRIENTEMOTOR 200 350 !275 !Amperes 
~RUDO 120 220 !220 [oneladas por hora 
MAGNITUDNOx 1 2.5 1.25 Porcentaje 
OXIGENO 1.5 4.5 3 Porcentaje 
TEMPCOR 150 450 300 Grados centígrados 
TENDENCIANOx ,_90 ~o 45 Grados 
AIRE o 60 30 Porcentaje de apertura 
COMBISAL ~ººº ~ººº 7500 Litros de comb. Por Hora 
(:OMB2 r?OOO ~ººº 8000 Kgs de comb. Por Hora 
(:RUDOS AL 150 !220 200 Toneladas por Hora 
El valor 'default' de una variable de salida es usado si no hay una regla para esta variable. Dos 
métodos diferentes para la defusificación pueden ser usados: 
CoM (Centro de Momentos) 
CoA (Centro de Area) 
60 
La siguiente tabla lista las variables unidas con la interface así como con sus respectivos métodos 
de fusificación y defusificación. 
Tabla 6: Interfaces 
Nombre de la Variable rripo Fuzificación/Defuzificación 
CALLIBRE !Entrada Uso de MBF 
co !Entrada Uso de MBF 
:OMBl Entrada Uso de MBF 
CORRIENTEMOTOR !Entrada Uso de MBF 
CRUDO Entrada Uso de MBF 
MAGNITUDNOx [Entrada Uso de MBF 
OXIGENO !Entrada Uso de MBF 
rrEMPCOR Entrada !Uso de MBF 
[ENDENCIANOx IEntrada Uso de MBF 
!AIRE Salida CoM 
~OMBISAL Salida (:oM 
COMB2 Salida (:oM 
~RUDOS AL Salida CoM 
61 
4.7 RESUMEN DEL CAPÍTULO 
Como ya hemos visto, un sistema experto trata de imitar el comportamiento humano para 
resolver un problema, especialmente imita el actuar de un operador experimentado. La lógica 
difusa es similar en cuanto a que imita el comportamiento de un operador experto pero, además, 
realizará las acciones para controlar un proceso (lo que los especialistas en control llaman 
"planta") mediante el software apropiado. 
En efecto, la lógica difusa se vale de una serie de reglas para realizar la acción a partir de las 
observaciones tomadas por los sensores. Para implementar un controlador de este tipo, es 
necesario seguir un largo procedimiento que comienza con una serie de entrevistas con los 
operadores del proceso de las cuales surgirán las reglas difusas. 
Una vez recopiladas las reglas, se hace una revisión con los operadores para verificar si faltan o 
sobran algunas reglas. Luego se procede a probar el algoritmo de control en algún paquete de 
simulación del proceso (si lo hay). El siguiente paso es implementar el controlador en línea y 
hacer la última revisión a los parámetros del algoritmo. 
62 
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 
El presente proyecto se presta muy bien para futuras tesis dado que todavía hay espacio donde 
aplicar nuevas tecnologías especialmente en el área de: 
• Control: control del proceso y control estadístico del proceso. 
• Sistemas computacionales: software, transmisión de datos, simulación de procesos. 
• Inteligencia artificial: interpretación de datos y toma de decisiones. 
La automatización en la industria del cemento mexicana aún está algunos años atrás en relación a 
sus contrincantes, especialmente europeos. Esto está relacionado principalmente con el nivel de 
capacitación del personal técnico ya que este campo es uno de los de más rápido desarrollo en 
los últimos años y por lo tanto requiere una atención adicional. Por esto, todo esfuerzo y dinero 
que se dedique a la instrucción de ingenieros en este campo (sobretodo en aplicaciones prácticas 
de técnicas novedosas como los sistemas expertos) no será una inversión estéril. 
En cuanto a la estrategia aplicada (lógicadifusa) está en la fase final de su desarrollo. Aún falta 
el proceso de estandarización de términos y procedimientos y mayor difusión en las facultades de 
ingeniería. Dado que esta técnica es relativamente nueva en el mercado del control industrial, 
muchas veces el ingeniero que quiere aplicarla se encuentra con algunas dificultades: 
escepticismo de los directivos de las compañías que no creen que una técnica como esta pueda 
funcionar, temor de los operadores (y, por lo tanto, reticencia para dar información) a ser 
desplazados del trabajo, falta de software adecuado o amigable, falta de personal capacitado 
(sobre todo en software), falta de paquetes de simulación de procesos, entre otras. 
El campo de aplicación de esta técnica es amplísimo y en las próximas años veremos su gradual 
generalización en el área del control automático. 
63 
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA 
[l] MAGALLÓN, RAFAEL "Automatización en la Industria del Cemento. Evolución Histórica y 
Proyección hacia el Futuro". Revista Cemento y Hormigón Junio de 1991. 
[2] MÜNK R. "Control de la producción mediante computadora", Revista Cemento y Hormigón, 
Mayo de 1988. 
[3] GARRO F., EMILIO. Gerente de Producción de Cementos Moctezuma Planta Emiliano 
Zapata. Entrevista en Abril del 2000. 
[4] Folleto "Cementos Anahuac, s.a., Presente en el Progreso de México", 1995. 
[5] "Conquistas de la Humanidad", Tomo l. Editorial Hispano Americana, 1979. 
[6] Curso de calcinación FL. Smith. Cementos Anahuac, Julio de 1996. 
[7] DUDA, WALTER "Manual Tecnológico del Cemento". Editores Técnicos Asociados s.a. 
[8] PRIMO, JOSÉ A. "CONEX, controlador de hornos basado en sistemas expertos y técnicas 
fuzzy. Revista Cemento y Hormigón, Junio 1994. 
[9] GONZALES DIEZ, SANTIAGO "El Sistema Gestor en la Optimización SCAP". Ponencia 
presentada a los II COLOQUIOS DE DIRECTORES Y TÉCNICOS DE FABRICAS DE 
CEMENTO; Barcelona, España 9-11 Noviembre de 1993. 
[10]. CARRIÓN, CLEMENTE "Sistema inteligente para el control de procesos en la industria del 
cemento". Ponencia presentada a los II COLOQUIOS DE DIRECTORES Y TECNICOS DE 
FABRICAS DE CEMENTO en Barcelona, España entre el 9 y el 11 de Noviembre de 1993 de 
Compañía Valenciana de Cementos Portland, s.a. Alfonso Crespo, Universidad Politécnica de 
Valencia. 
[11] GRUNBERG, WOLF DIETHARD "Sistema PYROTROL para control del proceso de 
calcinación en fábricas de cemento". De KHD Humboldt Wedag. Revista Cemento y Hormigón, 
1987. 
[ 11] MÜNK R. "Control de la producción mediante computadora", Revista Cemento y 
Hormigón, Mayo de 1988. 
[12] WENDT, J.O.L "SOx, NOx and CO emissions". Pollution Control Paper No. 12, Pollution 
Control Short Course, Portland Cement Association, Abril, 1978. 
[ 13] GADEBERG, KLAUS "Puesta en marcha automática del horno por medio del control 
Fuzzy". P. Homblad. Revista Cemento y Hormigón 1987. 
[14] PERA Y, K.E "The rotary cement kiln." J.J. Chemical Publishing Co., New York, N.Y. 
1974. 
[ 15] "NOx emission from modern dry process kilns" Enkegaard, T. 14 vo Seminario Internacional 
de Productos de Roca y Cemento, 1978, 42-7. 
[16] FENIMORE, "Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames", C.P. 13vº 
Simposium Internacional sobre Combustion. Combustion Institute, Pittsburgh, Pennsylvania 
(1971). 
[ 17] MILLER, F.M. "Mechanisms of NOx generation and the results of P.C.A. NOx survey" 
PCA Mill Session Paper M-204. 
[ 18] K. E, WIST "A review of cement industry pollution control". Daugherty, A.O. Bulletin of 
American Ceramic Society, Vol. 54, No. 2 (1975), 189. 
[ 19] JACKSON, PETER "lntroduction to Expert Systems". Addison Wesley, 1990. 
[20] VON ALTROCK, CONST ANTIN "Fuzzy Logic and Neurofuzzy Applications Explained", 
Prentice Hall PTR, 1995. 
[21]. www.fuzzytech.com. Industrial Application of Fuzzy Logic Control: Second Part -- Fuzzy 
Logic Development Methodology. Mayo del 2000. 
63 
ANEXO A 
A.R. 1 BLOQUE DE REGLAS 1 
Parámetros 
Agregación: 
Resultado de Agregación: 
Número de Entradas: 
Número of Salidas: 
Número de Reglas: 
IF 
MINMAX 
MAX 
1 
1 
Tabla7: Reglas del Bloque 1 
A.R. 2 BLOQUE DE REGLAS 2 
Parámetros 
Agregación: 
Resultado de Agregación: 
Número de Entradas: 
Número of Salidas: 
Número de Reglas: 
MINMAX 
MAX 
1 
2 
2 
Tabla 8: Reglas del Bloque 2 
IF THEN 
TEMPCOR DoS COMBlSAL 
caliente 
muy caliente D.90 muy bajo 
A.R. 3 BLOQUE DE REGLAS 3 
Parámetros 
Agregación: 
Parámetro: 
Resultado de Agregación: 
MINMAX 
0.00 
MAX 
DoS 
b.90 
b.90 
64 
THEN 
CRUDOSAL 
alto 
alto 
Número de Entradas: 
Número of Salidas: 
Número de Reglas: 2 
Tabla9: Reglas del Bloque 3 
IF THEN 
OXIGENO DoS !AIRE 
bajo 0.80 alto 
alto 0.80 bajo 
A.R. 4 BLOQUES DE REGLAS 4 
Parámetros 
Agregación: 
Resultado de Agregación: 
Número de Entradas: 
Número of Salidas: 
Número de Reglas: 
IF 
CAL LIBRE COMBl 
bajo bajo 
bajo bajo 
bajo medio 
bajo medio 
bajo medio 
bajo alto 
bajo alto 
bajo alto 
medio bajo 
medio bajo 
medio medio 
medio medio 
medio ~!to 
alto bajo 
alto bajo 
alto bajo 
MINMAX 
MAX 
3 
2 
23 
TablaJO: Reglas del Bloque 4 
THEN 
CRUDO DoS COMBlSAL DoS 
bajo 0.70 
medio 0.70 
bajo 0.70 
medio 0.70 
alto 0.70 bajo 
low 0.70 
medio 0.70 
alto 0.70 medio 
bajo 0.70 medio 
medio 0.70 medio 
bajo 0.70 alto 0.70 
medio 0.70 alto :l.70 
bajo 0.70 
bajo 0.70 medio 
medio 0.70 medio 
alto 0.70 medio 
65 
CRUDOSAL 
medio 
alto 
medio 
~lto 
medio 
alto 
medio 
alto 
medio 
alto medio bajo 
alto medio medio 
alto alto bajo 
alto alto medio 
alto alto alto 
A.R. 5 BLOQUE DE REGLAS 5 
Parámetros 
Agregación: 
Resultado de Agregación: 
Número de Entradas: 
Número of Salidas: 
Número de Reglas: 
MINMAX 
MAX 
3 
2 
25 
b.70 alto 
b.70 alto 
0.70 muy alto 
0.70 
0.70 
Tabla]]: Reglas del Bloque 5 
IF THEN 
COMBl CORRIENTE CRUDO DoS COMBlSAL DoS 
MOTOR 
bajo bajo bajo 0.60 medio 
bajo bajo medio 0.60 medio 
bajo bajo alto b.60 medio 
bajo tnormal Iba jo b.60 tmedio b.60 
Iba jo tnormal tmedio b.60 tmedio b.60 
bajo alto bajo b.60 
Iba jo alto medio 0.60 
Iba jo alto alto b.60 muy alto 
tmedio Iba jo Iba jo b.60 alto 
medio bajo medio b.60 alto 
medio bajo alto 0.60 alto 
medio normal bajo 0.60 alto b.60 
medio normal medio 0.60 alto b.60 
medio alto bajo 0.60 
tmedio alto medio b.60 
medio alto alto 0.60 bajo 
alto bajo medio b.60 
ialto bajo alto b.60 
alto alto OW 0.60 
ialto alto tmedio b.60 
alto alto ¡alto b.60 tmedio 
66 
bajo 
medio 
CRUDOSAL 
tmedio 
alto 
tmedio 
alto 
medio 
alto 
medio 
alto 
lbajo 
tmedio 
medio 
alto 
A.R. 6 BLOQUE DE REGLAS 6 
Parámetros 
Agregación: 
Resultado de Agregación: 
Número de Entradas: 
Número of Salidas: 
Número de Reglas: 
MINMAX 
MAX 
2 
12 
Tahla 12: Reglas del Bloque 6 
IF 
MAGNITUDNOx rrENDENCIANOx DoS 
Iba jo alto_dec 0.50 
bajo lbajo_dec 0.50 
bajo ~stable D.50 
bajo alto_inc 0.50 
medio alto_dec 0.50 
medio bajo_dec D.50 
[medio lbajo_inc 0.50 
medio alto_inc b.50 
alto alto_dec 0.50 
alto ~stable b.50 
alto bajo_inc b.50 
alto alto_inc b.50 
67 
THEN 
COMB2 
muy alto 
alto 
medio 
bajo 
alto 
medio 
oajo 
muy bajo 
alto 
[medio 
Iba jo 
muy bajo 
ANEXOB 
A.V. 1 VARIABLE DE ENTRADA "CALLIBRE" 
Mide la eficiencia del proceso de cocimiento del clinker 
0.8 , 
0.6 •. 
0.4 1 
0.2 -
1 
+ ¡ 
¡ 
~ __ J __ 
alto 
O.O 1----,,---,,;<--,----1.__,..,,..._..,....._.,,...........,..,,....,,....._,--_,.........,_-,-__,, _ __,¡......,.,,. __ _ 
0.2 0.7 1.1 1.5 2.0 
CAL LIBRE Porcentaje 
Figure 15: MBF de "CALL/BRE" 
Tabla 13: Puntos de definición para "CALLIBRE" 
Nombre !Forma Puntos de Definición (x,y) 
~ermino 
bajo ineal (0.2, 1) (0.4, 1) (0.6, 0) 
(2, 0) 
medio lineal (0.2, O) (0.4, 0) (0.6, 1) 
(1.4, 1) ( 1.7, 0) (2, O) 
alto lineal (0.2, O) (1.4, 0) (1.7, 1) 
(2, 1) 
A.V. 2 VARIABLE DE ENTRADA "CO" 
Medida tomada a la salida del horno. Esta variable es crítica porque es explosivo. 
0.8 
0.6 
0.4 
0.2 -
bao 
' 
J 
¡ 
.j. 
O.O ,.,.~---...... ~ .. -- ... A.,. ~- _ -::.;;: ·----·+-··___, -- ~--------
0.3 0.325 0.35 0.375 0.4 
MONOXIDO DE CARBONOPorcentaje 
Figure 16: MBF de "CO" 
Tabla 14: Puntos de Definicion "CO" 
!Nombre !Forma Puntos de Definición (x,y) 
~ermino 
bajo ~ineal (0.3, 1) (0.32, l) (0.38, O) 
(0.4, O) 
alto ~ineal (0.3, 0) (0.32, 0) (0.38, l) 
(0.4, l) 
A.V. 3 "COMBl" VARIABLE DE ENTRADA 
mu- ba'o muy· alto 
lO r=:::::::::::::::::::;::~ ;::---:--'::~~==='i"==--=-~':"'-=---:---==== 
0.8 
0.6 . 
0.4 
0.2 
O.O ---
6000.0 
!Nombre 
~ermino 
tmuy bajo 
Iba jo 
medio 
1 
r 
1 
+ - .... ,! 
: 
_¡ 
1 
COMBUSTIBLE 1 Litros de combustóleo por hora 
Figure 17: MBF de "COMBI" 
Tabla 15: Puntos de Definición de "COMBl" 
Forma Puntos de Definición (x,y) 
ineal (6000, 1) (6500, 1) 
(9000, O) 
~ineal (6000, 0) (6500, O) 
(7500, 0) (9000, O) 
lineal (6000, 0) (7000, 0) 
... ]... 
9000.1 
(7000, O) 
(7000, l) 
(7500, l) 
(8000, O) (9000, O) 
alto lineal (6000, 0) (7500, O) (8000, 1) 
(8500, O) (9000,0) 
muy alto lineal (6000, O) (8000, 0) (8500, 1) 
(9000, 1) 
A.V. 4 VARIABLE DE ENTRADA "CORRIENTEMOTOR" 
Esta variable es útil porque indica el grado c..le carga del horno y afecta la alimentación de cruc..lo. 
1 _0 i=bª=-·º==~~=--==~-;:==m=ed=[º=====.-::=-=----:::-=-::;:::=ª=lto=== 
0.8 
0.6 
0.2 ,. 
O.O : ___ _ 
200.0 
!Nombre 
~ermino 
bajo 
normal 
alto 
j 
.J. 
270.0 
CORRIENTE MOTOR Amperes 
Figure 18: MBF of "CORRJENTEMOTOR" 
Tablal6: Puntos Definición de "CORRJENTEMOTOR" 
Forma Puntos de Definición (x,y) 
lineal (200, 1) (220, 1) (250, O) 
(350, O) 
lineal (200, O) (220, O) (250, 1) 
(290, 1) (312.5, O) (350, O) 
ineal (200, O) (290, 0) (320, l) 
(350, 1) 
A.V. 5 VARIABLE DE ENTRADA "CRUDO" 
350.( 
IV 
1.0 
b:io medí o 
0.8 i 
i 
0.6 ! T 
0.4 
0.2 1 
O. O ,...,.,,,_.;..___,'::::----,,---,---=-===4--=-.,...-...,_,,.-_,,___,,.¡,.,,,.._,....,._,--.,......a.....,.,...,...;.....,,.....,...;...,.,__..,,....,...---,1; 
150.0 185.0 200.0 220.( 
CRUDO Toneladas por hora 
Figura /9: MBF de "CRUDO" 
Tabla 17: Puntos de Definición "CRUDO" 
Nombre Forma Puntos de Definición (x,y) 
termino 
bajo lineal (120, l) (160, 1) (170, 0) 
(220, O) 
medio lineal (120, O) (160, O) (170, 1) 
(180, l) (190, O) (220, 0) 
alto ineal ( 120, O) (180, 0) (190, l) 
(200, O) (220, O) 
muy alto lineal (120, O) (l 90, 0) (200, 1) 
(220, l) 
A.V. 6 VARIABLE DE ENTRADA "MAGNITUD NOx" 
Este gas es contaminante por lo que debe ser vigilado. También es un importante indicador de 
la eficiencia en la combustión. 
1 t-~· -
___ I . 
! 
í 1 
. ¡ f 
1.3 
alto 
T 
1 B"MAO~ITUDNOx 2 
Figura 20: MBF de "MAGN/TUDNOx" 
Table 18: Puntos de Definición "MAGNITUDNOx" 
!Nombre Forma Puntos de Definición (x,y) 
ltermino 
Iba jo lineal (1, 1) (1.3, 1) 
(2.5, 0) 
medio lineal (1, O) ( 1.3, O) 
( l.7, l) (2, 0) 
alto lineal (1, O) (l.7,0) 
(2.5, 1) 
A.V. 7 VARIABLE DE ENTRADA "OXIGENO" 
Mide la eficiencia relativa del proceso de combustión 
0.8 
0.4 
0.2 1 
( 1.6, O) 
(1.6, l) 
(2.5, 0) 
(2, l) 
O.O 1,--,--..-,--~=-~-,---+--..,.,_-+---,--.-----1----:--'---
l5 2.2 3.0 
OXIGENO Porcentaje 
Figura 21: MBF de "OXIGENO" 
3.8 
Tabla 19: Puntos de Definición de "OXIGENO" 
!Nombre !Forma !Puntos de Definición (x,y) 
!termino 
Iba jo lineal (1.5, 1) ( l.8, 1) 
(4.5, 0) 
111ormal lineal ( l.5, 0) (l .8, O) 
(3.8, 1) (4.2, 0) 
alto ~ineal ( l.5, O) (3.8, 0) 
(4.5, 1) 
A.V. 8 VARIABLE DE ENTRADA "TEMPCOR" 
Medida importante de seguridad. 
4.5 
(2.2, 0) 
(2.2, 1) 
(4.5, O) 
(4.2, l) 
ba'o alto 
1.0 r.::::==~-.~--;::::::::::!::!::~:::::;::=~-=-~:::::::::::::===;--:::::=-;--.;:::::=:::::.:::: 
0.8 
0.6 
0.4 
0.2 -
O.O•-----~____,....._ ____ ...._ __ ....._ ____ ....._ ____ _ 
150.0 450.( 
TEMPERA ,::URA DE LA CORAZA ºC 
Figura 22: MBF de "TEMPCOR" 
Tabla 20: Puntos de Definición "TEMP COR" 
Nombre Forma Puntos de Definición (x,y) 
termino 
oajo lineal (150, 1) (180, l) (220, O) 
(450, 0) 
inormal ineal (150, O) (180, 0) (220, l) 
(280, l) (320, 0) (450, 0) 
taliente lineal (150, O) (280, 0) (320, 1) 
(380, l) (420, 0) (450, 0) 
muy caliente lineal (150, O) (380, O) (420, 1) 
(450, 1) 
A.V. 9 VARIABLE DE ENTRADA "TENDENCIA NOx" 
1.0 r===:::=::;==;¡-=-~~~""7=--.-:;;:-=-=-~r~--..==== 
0.8 
90.0 
'TENDENCIA DEL NOx Grados .~ 
Figure 23: MBF de "TENDENCIANOx" 
Tabla 21: Puntos de Definición "TENDENCJANOx" 
[Nombre !Forma Puntos de Definición (x,y) 
~ermino 
alto_dec lineal (-90, 1) (-60, 1) (-30, O) 
(90, O) 
bajo_dec lineal (-90, O) (-60, 0) (-30, 1) 
(O, O) (90, O) 
estable ineal (-90, 0) (-30,0) (O, 1) 
(30, O) (90, O) 
bajo_inc lineal (-90, O) (O, O) (30, 1) 
(60, O) (90, O) 
alto_inc lineal (-90, O) (30, O) (60, 1) 
(90, 1) 
A.V. to VARIABLE DE SALIDA "AIRE" 
Las persianas alimentan de aire al horno 
mLiy bajo 
1.0P======~=~~~==~~~=~~==~!:!:!:::!:~=:::,: 
0.8 
0.6 -
0.4 --
0.2 ~-
o.o ,--=-'.!---c-'-::c-----:',.__==~=--:'.'------~----
0.0 
AIRE % Apertura de persianas 
Figure 242: MBF de "AIRE" 
Tabla 22: Puntos de Definición "AIRE" 
!Nombre !Forma Puntos de Definición (x,y) 
~ermino 
imuy bajo lineal (O, 1) (10, 1) (20, 0) 
(60, O) 
bajo hneal (O, O) (10, 0) (20, 1) 
(30, O) (60, 0) 
medio lineal (O, O) (20, O) (30, 1) 
(40, O) (60, 0) 
alto ineal (0, O) (30, O) (40, 1) 
(50, 0) (60, O) 
muy alto lineal (O, 0) (40, 0) (50, 1) 
(60, 1) 
A.V. 11 VARIABLE DE SALIDA "COMBlSAL" 
mu' ba·o tnuv alto 1.0 r====~ -=~~~-==~::;:-~~:-:-~---"":;""."-;:::::=::::::::::::::::::= 
0.8 
0.6 e·- · .. .¡ .. _ 
1 
0.4 
0.2 
j ...... ·f 
1 
1 
1 
1 
t--
l 
O.O 1-------""-------'-.,,.-,--L-__;..,,..._...,......:t-.---1t------.1.-;____;._ 
6000.0 9000.1 
COMBUSTIBLE 1 Lttros de combustóleo por hora 
Figura 25: MBF de "COMBISAL" 
Tabla 23: Puntos de Definición de "COMBISAL" 
Nombre Forma Puntos de Definición (x,y) 
termino 
muy bajo lineal (6000, 1) (6500, 1) (7000, 0) 
(9000, 0) 
bajo lineal (6000, O) (6500, O) (7000, 1) 
(7500, 0) (9000, 0) 
medio lineal (6000, O) (7000, O) (7500, 1) 
(8000, O) (9000, O) 
alto lineal (6000,0) (7500, O) (8000, 1) 
(8500, O) (9000, 0) 
muy alto lineal (6000, O) (8000, O) (8500, 1) 
(9000, 1) 
A.V.12 VARIABLE DE SALIDA "COMB2" 
0.6 -+ ., .... _ 
,.. 1 ' 
0.4 - -r···t 
0.2 -. -rr-·-r¡ ---·,,-,.--............. 
O.O ~ •.. ----~=-~---f..~--~~~~~~-"----:---~-~=---. 
7000.0 7500.0 8000.0 8500.0 9000.1 
COMB2 Lttros R~.~ hora de gas natural 
Figura 263: MBF de "COMB2" 
Tahla 24: Puntos de Definición de "COMB2" 
Nombre Forma Puntos de Definición (x,y) 
termino 
muy bajo lineal (7000, 1) (7500, 1) (7800, 0) 
(9000, O) 
Dajo lineal (7000, 0) (7500, O) (7800, 1) 
(8100, O) (9000, O) 
medio lineal (7000, 0) (7800, O) (8100, l) 
(8400, 0) (9000, O) 
alto ineal (7000, O) (8100, 0) (8400, 1) 
(8700, 0) (9000, O) 
muy alto 1ineal (7000, O) (8400, 0) (8700, 1) 
(9000, 1) 
A.V.13 VARIABLE DE SALIDA "CRUDOSAL" 
ba·o 
1.0 r=:::===~~~=-;::::::!:~=~~~~~-:--=-;:==========::;-
0.8 -· - ., .. 
0.6 -
0.4 ~-. ..._ ______ __ 
0.2 ;..--:--
O.O•------,------+--..,.._,.-..,...---.--_,..------" 
150.0 220.( 
CRUDO_,Toneladas por hora 
Fif?11ra 27: MBF de "CRUDOSAL" 
Tahla25: Puntos de Definición "CRUDOSAL" 
Nombre Forma Puntos de Definición (x,y) 
~ermino 
bajo ~ineal (150, 1) (160, 1) (170, O) 
(220, 0) 
medio ineal (150, 0) (160, 0) (170, 1) 
(180, 1) (190, O) (220, O) 
alto hneal (150, O) (180, O) (190, 1) 
(200, O) (220, 0) 
muy alto lineal (150, O) (190, 0) (200, 1) 
(220, 1) 
'.
 
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77
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ANEXO E DIAGRAMA DEL PRECALCINADOR 
EDITOR DE REGLAS 
r
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',J·.". !; •'". {1,11>.,. 
V O• 
' ! 
1 1 
i 
i ¡ 
ANEXO F 
EDITOR DE VARIABLES 
80 
EDITOR DE FUNCIÓN 
DE PERTENENCIA 
A.,·-. .r-,. • 
¡' . 
VISUALIZACIÓN DE REGLAS SUPERFICIE DE CONTROL 
El editor de variables maneja el primer nivel de introducción de datos al sistema: ¿cuántas 
variables de salida y de entrada?, ¿sus nombres?. Aunque el toolbox no limita el número de 
variables que se pueden meter, esto está limitado por la memoria disponible. 
81 
El editor de funcionesde pertenencia es usado para definir las formas, el número y los 
valores de los niveles de las funciones de pertenencia asociados a cada variable de entrada 
y salida. 
El editor de reglas sirve para crear la lista de reglas que define el comportamiento del 
sistema. 
La visualización de reglas y la superficie de control sirven para analizar el resultado de la 
inferencia de las reglas difusas. El visualizador de reglas es una interface que muestra qué 
reglas están activas o cómo las formas de los niveles de las funciones de pertenencia 
influyen sobre el resultado. 
Como muestra, apliqué este software para visualizar con más detenimiento el 
comportamiento de las reglas del bloque 6. Este bloque trata de hacer más eficiente el 
consumo energético del horno al vigilar el comportamiento de la magnitud y de la 
tendencia del Nüx . Una magnitud alta, al igual que un crecimiento rápido del valor, 
indicará que tendremos que bajar el nivel del combustible inyectado en el precalcinador 
(gas natural). Se puede ver en la superficie de control que este comportamiento se refleja 
claramente. 
Para más información, referirse a las siguientes páginas. 
f"I 
X: 
EDITOR DEL BLOQUE DE REGLAS Y VARIABLES 
r--··r:· 1
1 ~ -- --, 1 /1 ¡1 - - ---- 1 ' ' 1 ' \¡ 
1 ~r ......... 1 __ i / 7 _ /, L ~ 1 , , 1. 1 -c.-'""º" _-, ______J ! f.LL _ 
_,..---- L 
r-.,,-~ ._,. ·;,,: f: FrS T}•r .. ~: ::~º;1rr, ·i"':·· 
,,_., ._, :~::";:-· _ --- --~ ! ~.·:;,~;~ Vc:ial,ie -----·,_-_ .. -_~----------' 
__'_l I f_vp!.' np,; 
-~~ l R,, J• --·-- ---- -·- ---- - --- - -·- --·\,:: ti 
Aquí se define el número de variables 
involucradas en el bloque, así como sus 
nombres. 
También, se define el método de evaluación 
de reglas y introducción de las mismas al 
sistema de control. Por ejemplo, es posible 
especificar que el resultado de la conjunción 
(conector AND) sea diferente al normal (el 
mínimo); igualmente, se puede especificar 
otros resultados para las implicaciones, 
agregaciones y el método de defusicación 
(puede ser el centroide, MOM, LOM. etc.) 
.... 
00 
EDITOR DE FUNCIONES DE PERTENENCIA 
' ,, , ',/ ,) "; .,: ·'. ·:~ J ___ ·~:::'. . . . ":.~~:~':'."'.··~··~ -~·:~~º"~' T---,=:··j 
1 .. ··v- -\ i- ---- --· -1 
,.,, . y· 1 
/ \ . \ 
/ \ / \ J 
I \ / \ 
J - - \ . - ¡_ - -=- \ __ ---- -
[J[- J 
m1p,i1udN01 c•mbl 
E] 
,....ieui•NO. 
., " ~11111 .,. a,\11 .. l•"m•IPUfudNOsº' 
r r u·;r-1'>1 _. , ,, t,:,, l Ct_ment Mernberohi;, Funct.1011 tciLcl· or, t.-lf ,,, .. ,~ :li 
, / rbr,v m.;grn•udtlü,. N,;cnt 
' 1 r ., e r------------- ·1 
! 1 lyi)t: 1:l~ljl 1 .,p. 1 .. -1 
1 ! ::::, ,,., ,,,i'~:--~ 1 E~~::~ ~:;.=-:,, 
¡ ¡ n ~:1;J~, 
En esta parte del paquete es posible modificar 
el rango de operación de la variable, el 
número de niveles, los valores y la forma de 
las funciones. 
Esto es necesario a la hora de afinar el 
algoritmo del controlador difuso de suerte 
que cumpla con las especificaciones 
requeridas. 
-,-
X 
EDITOR DE REGLAS 
; i f .., .• ,Jni·1. ctlC, i·. r"'i: r,J y.:J L:r. -.~~n.:,il' Js:; ... 1:. ~-,-L d~.::) t;·1C'·•· .c:nt: :. : t.:.i. { ~:j 
1 :.·,nJni:l<fi_, "t,;: oJ :d [·,:..-,j~o,ii' O,"·: ic:;.:l lhcr lcx,rt! Vi -r,dc 11US1 
•.1 f f·,.._..q1111.,1\Í ~ r' t),; f•I .:r· 1 (¡;;.-·,~:..-,-_H'·~n.- L~ :,t1J·1r-J t"\.:i·) ¡',··1)f:'1h··.; .- l".,r ·. (, ~j 
f ('f~~Jfi':Ld·ii: . .: r: r1(dt:. ~·-( l~~r-·~ .. ~,;-.:c/S:1.• u .:,l•.~·-(1>;;-:J t·Pt, .·:,.,r:,h. , ;,I:, ¡ '"1 
f ff11.JJ:1i.uJJ .. ::.:11uli ... :~~-.r11:r1;\:!1_·JK.•1-11.·1.h:· 1h·:1111·_,1i"1li· 11.-:d·1 f"";·· 
. 7 f í .,..,,n, cct,C ·: i: r,cdi:' .,, e ite1·ce ,:. ,NC ,. e ¡;q_ , e l'hcd :,. ,¡_ ~ i. :,, > T.:;· 
1 :l- 11 "fúJr:t'l cr·.I_ -,: r. :Kd1: .. :,.,e ((crcc~-:NL, '-? Jl~c __ r,:-· ·fer 1c_.rr :i.:· r-:- :r·J,' ~·JI) 'l i_; 
f ÍúiJnn.1-t\Í-: r: -~'i"I ;¡··,d ¡t=.r1riFrnCl::}Frx ¡_ "lh,_d.=-, 1·q· [·.1ri"~; ::. ,-v<: (O ~I 
!t' !í !r=;;s~r:111. c··.IJ~ i· ~·!:¡ .Jni:; t~r,dH\C!-lMU, 1-: €'~·t,)~M 1 ln,~-"'l 1 :-o·nt~ .-: n:,jt')I ·:_;_ "J' 
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1e~·l¡z¿;:~ -----· . - --·-·· ' . . . -·- -, 1 '-lcic ~mP. j 
Una ves definidas las variables, así como sus 
niveles y rangos, se procede a introducir las 
reglas. También, se definen las negaciones, 
tipo de conectores (AND/OR) y el peso que 
tendrán las reglas dentro de todo el sistema. 
Esta característica ( el peso de la regla) es 
muy útil porque permite dar diferentes 
prioridades a los bloques de reglas. De esta 
forma, se reduce apreciablemente la cantidad 
de reglas necesarias para controlar el 
sistema. 
"' J:>. 
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tendencia NOx · 
2:, 
SUPERFICIE DE CONTROL 
1'; 
magnitad NOx 
Analizar la superficie de control es muy útil 
para revisar la lógica del algoritmo del 
controlador. De un vistazo se pueden observar 
asimetrías y, por lo tanto, modificar los rangos 
de los niveles en las funciones de pertenencia o 
agregar niveles a las funciones. Para este caso 
en particular, tendencia y magnitud NOx son 
las variables de entrada y comb2 la variable de 
salida. 
Se puede ver que la salida ( comb2) será mayor 
si la tendencia de Nüx es decreciente y/o la 
magnitud es baja. 
Analizando con atención, se puede observar 
que la variable magnitud Nüx es algo "rígida", 
o sea, no provoca un cambio gradual en comb2 
a diferencia dela tendencia del Nüx. Esto es así 
porque los operadores del horno le conceden 
más importancia a la tendencia para controlar 
comb2. 
VISUALIZACIÓN DE REGLAS 
mag,útud NOx = 1.75 tendencia. = -44 .2 comb2 = 8240 
,4 
oí::;.:, 
zs: 
/ª\ 
90 
'rmc 
En el diagrama de arriba se pueden ver 3 columnas (una para cada variable) 
con 12 renglones (uno para cada regla). 
En la parte de arriba de cada columna se ve el valor de la variable (también 
representada por una raya roja). Con el ratón podemos mover la posición de las 
rayas rojas y observar al mismo tiempo la respuesta de la variable de salida. 
También, es posible manipular los valores de las variables de entrada en el 
espacio "input". 
Los renglones que tienen un trapezoide de color amarillo marcan las reglas que 
disparan para un valor determinado de las variables de entrada y los 
trapezoides de la columna de la derecha que tienen un relleno azul son aquellos 
resultados producto de la inferencia difusa (justo antes de la defusificación). El 
resultado, que en este caso se utiliza el método del centro de áreas, es el valor 
mostrado en la parte de arriba de la tercera columna. 
	CEM131492-1
	CEM131492-2
	CEM131492-3
	CEM131492-4
	CEM131492-5
	CEM131492-6
	CEM131492-7
	CEM131492-8
	CEM131492-9
	CEM131492-10
	CEM131492-11
	CEM131492-12
	CEM131492-13
	CEM131492-14
	CEM131492-15
	CEM131492-16
	CEM131492-17
	CEM131492-18
	CEM131492-19
	CEM131492-20
	CEM131492-21
	CEM131492-22
	CEM131492-23
	CEM131492-24
	CEM131492-25
	CEM131492-26
	CEM131492-27
	CEM131492-28
	CEM131492-29
	CEM131492-30
	CEM131492-31
	CEM131492-32
	CEM131492-33
	CEM131492-34
	CEM131492-35
	CEM131492-36
	CEM131492-37
	CEM131492-38
	CEM131492-39
	CEM131492-40
	CEM131492-41
	CEM131492-42
	CEM131492-43
	CEM131492-44
	CEM131492-45
	CEM131492-46
	CEM131492-47
	CEM131492-48
	CEM131492-49
	CEM131492-50
	CEM131492-51
	CEM131492-52
	CEM131492-53
	CEM131492-54
	CEM131492-55
	CEM131492-56
	CEM131492-57
	CEM131492-58
	CEM131492-59
	CEM131492-60
	CEM131492-61
	CEM131492-62
	CEM131492-63
	CEM131492-64
	CEM131492-65
	CEM131492-66
	CEM131492-67
	CEM131492-68
	CEM131492-69
	CEM131492-70
	CEM131492-71
	CEM131492-72
	CEM131492-73CEM131492-74
	CEM131492-75
	CEM131492-76
	CEM131492-77
	CEM131492-78
	CEM131492-79
	CEM131492-80
	CEM131492-81
	CEM131492-82
	CEM131492-83
	CEM131492-84
	CEM131492-85
	CEM131492-86
	CEM131492-87
	CEM131492-88