UNIVERSIDAD INVENIO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE AGUA
Y EXTRACCIÓN DE CALOR DE TRES PASTEURIZADORES DEL
ÁREA DE ENVASADO EN PLANTA EMBOTELLADORA, HEREDIA,
COSTA RICA, 2019.
Trabajo Final de Graduación sometido a la consideración de la
Comisión de trabajos finales de graduación para optar por el título de
Licenciatura en Ingeniería Mecatrónica.
DANI JOHAN SOTO BARRANTES
Campus universitario GML
Guanacaste, Costa Rica
2019
Dedicatoria
Dedico este proyecto en especial a mis padres, Verónica Barrantes Alfaro y
Geovanny Soto Arana, que me han apoyado durante toda mi vida y me enseñaron,
mediante los valores, a ser una mejor persona, para así poder desempeñarme como
un profesional y alcanzar todas mis metas. A mis hermanos, que me ayudaron
siempre que lo requerí.
Por último, a mis amigos y compañeros de universidad que hicieron de este trayecto
de vida el más inolvidable y placentero.
ii
Agradecimiento
Doy las gracias, primeramente, a Dios padre por permitirme realizar este proyecto.
Agradezco a mi empresa dual por haberme brindado la oportunidad, a todos los
profesores que contribuyeron en mi formación académica para alcanzar esta meta,
también al Ing. Emilio Villalobos por abrirme las puertas para realizar el proyecto y
a los demás técnicos e ingenieros del departamento que, de una u otra manera,
atendieron mis dudas.
Agradezco a mi tío, Mainor Delgado Barrantes, y a su familia que me brindaron
techo y alimento durante mi formación profesional.
iii
Declaración jurada
Yo, Dani Johan Soto Barrantes, estudiante de la Universidad Invenio declaro bajo
la fe de juramento y consiente de las responsabilidades penales de este acto, que
soy el actor intelectual del proyecto de graduación titulado “AUTOMATIZACIÓN DEL
SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE AGUA Y EXTRACCIÓN DE CALOR DE TRES
PASTEURIZADORES
DEL
ÁREA
DE
ENVASADO
EN
PLANTA
EMBOTELLADORA, HEREDIA, COSTA RICA, 2019.” por lo que libero a la
Universidad de cualquier responsabilidad en caso que mi declaración sea falsa.
Cañas, Guanacaste, a los nueve días del mes de diciembre del año 2019.
Dani Johan Soto Barrantes
Cédula 504090901
iv
Tribunal Examinador
Este trabajo final de investigación aplicada fue aprobado con una nota de ______
por el Tribunal Examinador del Trabajo Final de Graduación de la Universidad
INVENIO, como requisito parcial para optar al grado y título de Licenciatura en
Ingeniería Mecatrónica.
Ph.D Yenory Rojas
Hernández
Directora del tribunal.
Ing. Helí Fuenmayor Pírela
Coordinador de Ingeniería
Mecatrónica y Director del
TFG.
Ing. José Sánchez Campos
Tutor empresarial.
Dani Johan Soto Barrantes
Sustentante.
v
Índice general
Dedicatoria ............................................................................................................... ii
Agradecimiento ....................................................................................................... iii
Declaración jurada .................................................................................................. iv
Tribunal Examinador ............................................................................................... v
Índice general .......................................................................................................... vi
Índice de tablas ....................................................................................................... ix
Índice de ilustraciones ............................................................................................. xi
Lista de abreviaciones ........................................................................................... xiv
Resumen ................................................................................................................ xv
Abstract ................................................................................................................. xvi
Capítulo 1|
Introductorio ..................................................................................... 1
1.1
Antecedentes ............................................................................................. 2
1.2
Planteamiento del problema ....................................................................... 4
1.3
Problema existente..................................................................................... 4
1.4
Importancia de su solución ......................................................................... 5
1.5
Enfoque de la solución ............................................................................... 6
Capítulo 2|
2.1
Objetivos .......................................................................................... 7
Objetivos del proyecto ................................................................................ 8
2.1.1
Objetivo general................................................................................... 8
2.1.2
Objetivos específicos. .......................................................................... 8
Capítulo 3|
Marco teórico .................................................................................... 9
3.1
Descripción del proceso de pasteurización .............................................. 10
3.2
Tipo de automatización centralizada ........................................................ 10
3.3
Sistema de recirculación y extracción de calor. ....................................... 11
3.4
Equipos del sistema de recirculación y extracción de calor ..................... 12
3.4.1
Armario eléctrico. ............................................................................... 12
3.4.2
Tanques de almacenamiento. ........................................................... 13
3.4.3
Filtro de agua TEKLEEN ABW. ......................................................... 14
vi
3.4.4
Torre de enfriamiento. ....................................................................... 16
3.4.5
Sensores-transmisores. ..................................................................... 19
3.5.6
Actuadores. ....................................................................................... 28
3.5.7
Sección eléctrica................................................................................ 33
3.5.8
Sistema de alimentación. ................................................................... 33
3.5.9
Dispositivos de maniobra y control. ................................................... 35
3.5.10
Sistema de protección. ................................................................... 42
3.5.11
Enlaces de comunicación ............................................................... 46
3.5.12
Sección de control + monitoreo. ..................................................... 50
3.5.13
Software TIA Portal como herramienta de programación. .............. 56
3.5.14
Control lógico programable. ........................................................... 58
Capítulo 4|
Procedimiento metodológico .......................................................... 60
4.1
Metodología de desarrollo ........................................................................ 61
4.1.1
Reconocimiento del proyecto............................................................. 61
4.1.2
Selección de instrumentación. ........................................................... 61
4.1.3
Red de comunicación. ....................................................................... 61
4.1.4
Sistema SCADA. ............................................................................... 62
4.1.5
Programación. ................................................................................... 62
4.1.6
Armario eléctrico. ............................................................................... 62
4.1.7
Conexión entre software y hardware ................................................. 63
4.1.8
Tipo de investigación ......................................................................... 71
4.1.9
Instrumentos de recolección de datos ............................................... 71
4.1.10
Sujetos. .......................................................................................... 72
4.1.11
Contexto de la investigación........................................................... 72
4.1.12
Fuentes de información. ................................................................. 73
4.1.13
Cuadro de variables ....................................................................... 74
Capítulo 5|
Desarrollo de la solución. ............................................................... 77
5.1
Entorno del proyecto ................................................................................ 78
5.2
Condiciones iniciales de funcionamiento.................................................. 79
5.2.1
5.3
Descripción del sistema a automatizar. ............................................. 80
Análisis de solución y selección final........................................................ 86
vii
5.3.1
Requerimientos del proyecto. ............................................................ 86
5.3.2
Valoración de las propuestas............................................................. 87
5.3.3
Selección de la propuesta. ................................................................ 89
5.3.4
Desarrollo de la propuesta. ................................................................ 89
Capítulo 6|
Análisis final de la solución........................................................... 145
6.1
Beneficios de la implementación. ........................................................... 146
6.2
Evaluación del funcionamiento............................................................... 148
6.2.1
Evaluación del algoritmo. ................................................................. 149
6.2.2
Evaluación de los armarios eléctricos.............................................. 153
6.3
Análisis de consumo de agua. ............................................................... 155
6.4
Análisis económico................................................................................. 157
6.4.1
Equipos + instalación. ...................................................................... 157
6.4.2
Equipos reutilizados......................................................................... 159
6.5
Limitaciones del sistema. ....................................................................... 160
Capítulo 7|
Conclusiones y Recomendaciones .............................................. 162
7.1
Conclusiones .......................................................................................... 163
7.2
Recomendaciones.................................................................................. 165
Capítulo 8|
Referencias bibliográficas ............................................................ 166
Capítulo 9|
Anexos ......................................................................................... 175
viii
Índice de tablas
Tabla 3-1 Especificaciones técnicas de la torre de enfriamiento 494A Marley
Aquatower. ............................................................................................................ 18
Tabla 3-2 Especificaciones técnicas de la torre de enfriamiento MESA: MKT-125 18
Tabla 3-3: Especificaciones técnicas del transmisor de temperatura TS500 ........ 21
Tabla 3-4: Tabla de especificación técnicas transmisor M TR10. ......................... 22
Tabla 3-5 Especificaciones técnicas del transmisor de nivel SITRANS Probe Lr.. 24
Tabla 3-6: Especificaciones técnicas del Transmisor de nivel FMP54 E+H .......... 26
Tabla 3-7 Especificaciones técnicas de las bombas del tanque de captación ...... 30
Tabla 3-8 Especificaciones de las bombas del tanque de captación .................... 31
Tabla 3-9 Especificaciones técnicas de bombas del tanque de agua Fría ............ 33
Tabla 4-1 Abreviación de equipos para el primer segmento del formato. ............. 63
Tabla 4-2 Reglas para el etiquetado de los equipos. ............................................ 64
Tabla 4-3: Codificación de los actuadores para la automatización........................ 65
Tabla 4-4: Codificación del equipamiento para la automatización......................... 65
Tabla 4-5: Codificación de los transmisores para la automatización. .................... 65
Tabla 4-6: Codificación de los armarios para la automatización. .......................... 66
Tabla 4-7: Codificación de la baliza para la automatización. ................................. 66
Tabla 4-8 Lista de las entradas analógicas del PLC asignadas a la
instrumentación. .................................................................................................... 68
Tabla 4-9 Lista de salidas analógicas del PLC asignadas a los equipos. ............. 68
Tabla 4-10 Lista de las entradas y salidas digitales del PLC asignadas a los
equipos. ................................................................................................................. 69
Tabla 4-11 Variables de investigación................................................................... 75
Tabla 5-1: Escalamiento de los transmisores según los valores de proceso. ....... 95
Tabla 5-2: Versión de software y hardware utilizados para la automatización. ..... 96
Tabla 5-3: leyenda de la ilustración 5.24., Área permanente. ............................. 110
Tabla 5-4: Leyenda de la ilustración 5.24, estado general de sistema. ............... 111
Tabla 5-5: leyenda de la ilustración 5.24, navegación de operación. .................. 111
Tabla 5-6: leyenda de la ilustración 5.24, menú de navegación. ......................... 113
Tabla 5-7: Estado de los equipos según el color. ................................................ 115
Tabla 5-8: Dispositivos reutilizados de la lógica de control por relé cableado. .... 118
Tabla 5-9: Derivación del transformador que provee 120 V AC al circuito. ......... 120
Tabla 5-10: Derivación de la fuente que provee los 24 VDC al circuito. .............. 121
Tabla 5-11: Corriente disponible de la CPU S7-1200.......................................... 122
Tabla 5-12: Interruptores termomagnéticos empleados en el armario CP.10.01.00.
............................................................................................................................ 123
Tabla 5-13: Entradas/salidas analógicas y digitales utilizadas en la automatización
según módulos reutilizados. ................................................................................ 125
ix
Tabla 5-14: Selección final de entradas/salidas analógicas y digitales utilizadas en
la automatización según módulos reutilizados y comprados. .............................. 126
Tabla 5-15: Conexión de los actuadores. ............................................................ 128
Tabla 5-16: Guardamotores y contactores asociados a cada motor según su rango
de potencia. ......................................................................................................... 129
Tabla 5-17: Equipos reutilizados del armario. ..................................................... 135
Tabla 5-18: Interruptores termomagnéticos empleados en el armario CP.10.02.00
............................................................................................................................ 136
Tabla 5-19: Interruptor termomagnético empleado en el armario CP.10.20.00. .. 137
Tabla 5-20: Condición de encendido de la baliza según el estado del sistema... 138
Tabla 6-1 Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del
tanque de captación. ........................................................................................... 149
Tabla 6-2: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del
tanque de agua caliente. ..................................................................................... 150
Tabla 6-3: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del
tanque de agua fría. ............................................................................................ 151
Tabla 6-4 Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento de las
torres de enfriamiento. ........................................................................................ 152
Tabla 6-5: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento general.
............................................................................................................................ 152
Tabla 6-6: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del
armario principal de la sección de almacenamiento y enfriamiento .................... 153
Tabla 6-7: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del
armario remoto de la sección de captación ......................................................... 154
Tabla 6-8: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del
armario remoto del área de envasado ................................................................. 155
Tabla 6-9: Costos de los equipos comparados y la instalación de los armarios para
toda la automatización. ....................................................................................... 158
Tabla 6-10: Costos de los equipos que se reutilizaron. ....................................... 159
x
Índice de ilustraciones
Ilustración 3-1 Circuito cerrado del proceso de recirculación y extracción en la
embotelladora........................................................................................................ 12
Ilustración 3-2 Tanque de Captación ..................................................................... 13
Ilustración 3-3 Área de recirculación y extracción de calor ................................... 14
Ilustración 3-4 Diagrama de bloques, del proceso de filtrado del agua. ................ 15
Ilustración 3-5 Filtro de agua en el tanque de captación y las ............................... 15
Ilustración 3-6: Torre de enfriamiento CP.10.04.00, número uno. Modelo Marley
aquatower: 494A. .................................................................................................. 16
Ilustración 3-7 Torre de enfriamiento CP.10.05.00, número dos. Modelo MESAN:
MKT-125................................................................................................................ 17
Ilustración 3-8 Transmisor de temperatura SITRANS T S500 en TAC y en TAF. . 20
Ilustración 3-9 Transmisor de temperatura E+H M TR10 del tanque de captación 21
Ilustración 3-10 Indicador de temperatura WINSTERS TBM series ..................... 22
Ilustración 3-11 Transmisor para medición de nivel SITRANS Probe Lr ............... 23
Ilustración 3-12 transmisor de nivel del tanque de captación Levelflex FMP54 .... 25
Ilustración 3-13 Posición del transmisor 2088 en proceso. ................................... 27
Ilustración 3-14 Transmisor de presión Rosemount 2088 ..................................... 27
Ilustración 3-15: Perspectiva de una bomba centrífuga ........................................ 29
Ilustración 3-16: Bombas centrífugas tanque de captación ................................... 30
Ilustración 3-17: Bombas centrífugas del tanque de agua caliente. ...................... 31
Ilustración 3-18 Bombas de tanque de agua fría, envío para pasteurizadores ..... 32
Ilustración 3-19 Siemens SITOP PSU200M 24 V/10 A. ........................................ 34
Ilustración 3-20 transformador STU500/2X115 2,5 AMP armario principal
(CP.10.01.00) ........................................................................................................ 35
Ilustración 3-21 Variador PowerFlex 525 Allen-Bradley ........................................ 37
Ilustración 3-22 Variador de CA PowerFlex 70 Allen Bradley................................ 37
Ilustración 3-23 Variador de frecuencia Danfoss FC280 ....................................... 39
Ilustración 3-24: Contactor Siemens de potencia para .......................................... 40
Ilustración 3-25 arrancador suave utilizado en las bombas ................................... 41
Ilustración 3-26: Comportamiento de la corriente para diversas modalidades de
arranque ................................................................................................................ 42
Ilustración 3-27 Interruptor termomagnético de un 1 polo. .................................... 43
Ilustración 3-28 Guardamotor siemens 3RV2011-1HA10 ..................................... 44
Ilustración 3-29 Relé de seguridad PNOS S2 de Pilz utilizado para los armarios. 45
Ilustración 3-30 Seccionador EATON P3-63, 37KW panel CP.10.01.00 ............... 46
Ilustración 3-31 Swicth Stratix 2000 no administrable 5 puertos ........................... 48
Ilustración 3-32 Conexión punto a punto para la configuración del transmisor
Rosemount 2088 con el comunicador portátil. ...................................................... 49
xi
Ilustración 3-33 Superposición de la señal digital a la analógica La información
digital se modula en frecuencia con 1200 Hz para representar el “1” y 2200 Hz
para el representar el “0” ....................................................................................... 50
Ilustración 3-34 Interacción entre el operador y el proceso controlado mediante
una interfaz hombre-máquina................................................................................ 51
Ilustración 3-35: HMI TP700 comfort que controla y monitorea el sistema de
recirculación .......................................................................................................... 52
Ilustración 3-36: CPU S7-1200 Siemens ............................................................... 53
Ilustración 3-37: Elementos de un sistema de control cerrado. ............................. 55
Ilustración 3-38: Ejemplo de los lenguajes de programación para los PLC ........... 56
Ilustración 3-39: Interfaz de usuario de software TIA Portal. ................................. 57
Ilustración 3-40: Integración de herramientas en TIA Portal.................................. 58
Ilustración 3-41: Ciclo de un autómata con lógica programada. ............................ 59
Ilustración 4-1 Formato para la codificación de los equipos. ................................. 64
Ilustración 5-1: Entorno del proyecto para la automatización del sistema de
recirculación de agua y extracción de calor........................................................... 79
Ilustración 5-2: Distribución de control en los armarios según la lógica ................ 80
Ilustración 5-3: Armarios que componen el sistema de recirculación de agua y
extracción de calor ................................................................................................ 81
Ilustración 5-4: Lógica de control con relés cableado............................................ 83
Ilustración 5-5: Secciones para el bloque de mando disponible ............................ 84
Ilustración 5-6: Baliza o torre luminosa con los tres colores que indican el estado
del sistema recirculación en el área de envasado. ................................................ 85
Ilustración 5-7 Concepto de la configuración de armarios eléctricos..................... 87
Ilustración 5-8: Concepto de la configuración de armarios eléctricos.................... 88
Ilustración 5-9 Diagramada bloques generales del sistema que controla el proceso
de recirculación y extracción de calor ................................................................... 90
Ilustración 5-10:Montaje del sensor Levelflex FMP54 ........................................... 92
Ilustración 5-11: Montaje del transmisor de nivel SITRANS Probe Lr en tanque de
agua Fría. .............................................................................................................. 93
Ilustración 5-12: Montaje de transmisor M-TR10 en tanque de captación ............ 94
Ilustración 5-13: Montaje de transmisor SITRANS TS500 en tanque de agua fría.
.............................................................................................................................. 95
Ilustración 5-14: Árbol del proyecto. ...................................................................... 97
Ilustración 5-15: Sección Main [OB1], llamada a la ejecución de los bloques ....... 98
Ilustración 5-16: Normalización de la señal ........................................................... 99
Ilustración 5-17: Escalado de la señal ................................................................. 100
Ilustración 5-18: Configuración de las entradas analógicas. ............................... 100
Ilustración 5-19: Escaldo de la señal analógica................................................... 101
Ilustración 5-20: Configuración de las entradas digitales. ................................... 102
Ilustración 5-21: Configuración de las salidas digitales ....................................... 103
Ilustración 5-22: Bloques por cada tanque .......................................................... 104
Ilustración 5-23: Esquema de funcionamiento de los márgenes para ................. 106
xii
Ilustración 5-24: Imagen principal de la interfaz gráfica. ..................................... 109
Ilustración 5-25: Monitoreo de la vista general de todo el sistema ...................... 114
Ilustración 5-26: Ventana de operación para una de las bombas del tanque de
captación ............................................................................................................. 115
Ilustración 5-27: Monitoreo de la sección de captación. ...................................... 116
Ilustración 5-28: Monitoreo de la sección de almacenamiento y enfriamiento .... 116
Ilustración 5-29: Armario principal CP.10.01.00 ubicado en la sección de
almacenamiento y enfriamiento........................................................................... 117
Ilustración 5-30: Primer nivel donde se encuentra la sección de la distribución de la
alimentación y protección. ................................................................................... 119
Ilustración 5-31. segundo nivel donde se encuentras cableadas todas las señales
analógicas y digitales del PLC............................................................................. 124
Ilustración 5-32: Configuración del CPU s7-1200 - 1214C AC/DC/RLY .............. 127
Ilustración 5-33: Tercer nivel compuesto por dispositivo de maniobra. ............... 127
Ilustración 5-34: Conexión entre los dispositivos de maniobra y control. ............ 128
Ilustración 5-35: Cuarto nivel, compuesto por la electrónica de potencia. ........... 130
Ilustración 5-37: Bornes para conexión de los motores de la sección de
almacenamiento y enfriamiento........................................................................... 132
Ilustración 5-38: Monitoreo con la HMI TP700 Comfort en la sección de
almacenamiento y enfriamiento........................................................................... 133
Ilustración 5-39: Armario remoto CP.10.02.00 ubicado en la sección de captación.
............................................................................................................................ 134
Ilustración 5-40: Armario remoto CP.20.01.00 en el área de envasado. ............. 136
Ilustración 5-41: Interfaz de configuración para el autoajuste de los valores PID de
la presión de envió de las bombas del TAF......................................................... 139
Ilustración 5-42: Interfaz de configuración para el autoajuste de los valores PID del
nivel del tanque de captación. ............................................................................. 140
Ilustración 5-43: Switch Stratix 2000 como amplificador de la conexión ............. 142
Ilustración 5-44 Visualización desde el sistema SCADA del cuarto de operaciones.
............................................................................................................................ 143
Ilustración 5-45: Topología de automatización. ................................................... 144
Ilustración 6-1: Modelo piramidal de la automatización. ...................................... 147
Ilustración 6-2: Comportamiento de nivel del tanque de captación ..................... 156
xiii
Lista de abreviaciones
HART: Highway Addressable Remote Transducer.
VFD: Variador de frecuencias (Variable Frecuency Driver, por sus siglas en inglés).
TAC: Tanque de agua fría.
TC: Tanque de captación.
TAF: Tanque de agua fría.
PID: Controlador proporcional, integral y derivativo.
TE: Torre de Enfriamiento.
P1: Pasteurizador 1.
P3: Pasteurizador 3.
P4: Pasteurizador 4.
LP: Luces Piloto.
xiv
Resumen
El presente Trabajo Final de Graduación nace ante la necesidad por parte de
una embotelladora ubicada en Heredia, Costa Rica, de automatizar el sistema de
recirculación de agua y extracción de calor compuesto por tres tanques de
almacenamiento, seis equipos de bombeo, un sistema de tuberías, dos equipos de
filtrado y dos torres de extracción de calor.
El sistema es manejado por un automatismo basado en una lógica de control
cableada con relé y, dado el avance que tiene la automatización industrial, este tipo
de control se ha ido desplazando en la búsqueda de automatismos con mayor
soporte tecnológico, flexibilidad y escalabilidad.
Por lo anterior, se busca una propuesta que optimice las condiciones para la
automatización con el reemplazo de equipos modernos disponibles en el mercado,
en donde se presentan planteamientos alternativos que permiten la integración de
instrumentación analógica, la modificación de los armarios eléctricos existentes, un
control basado en una lógica programa con un PLC, monitoreo con HMI, y la
supervisión desde sistema SCADA de la planta. Esto bajo un intercambio de
información entre dispositivos vía Ethernet.
La
automatización
permitirá
elevar
notablemente
la
eficiencia
del
funcionamiento del sistema anteriormente mencionado, ya que propiciará que se
ahorren costos adicionales, como los de operación, mantenimiento e, incluso,
energía. Además, garantizaría un mejor monitoreo del proceso, lo que hace que la
detección de fallos se realice rápidamente, así como una mayor comodidad para
interactuar con el proceso a los operadores del área de envasado.
Es así como en el desarrollo del presente Trabajo Final de Graduación se
muestran los principales cambios a realizar, incluyendo el costo total de la
automatización dentro de un presupuesto para las actualizaciones del sistema de
80.000 USD.
Palabras clave: pasteurización, extracción de calor, SCADA, PLC, HMI.
xv
Abstract
This Final Graduation Work is born due to the need for part of the bottling plant
located in Heredia, Costa Rica to automate the water recirculation and heat
extraction system consisting of three storage tanks, six pumping equipment, a piping
system, two filtering equipment, and two heat extraction towers.
The system is managed by an automatism based on a wired control logic with
relay, and given the progress that industrial automation has, this type of control has
been moving in the search for automatisms with greater technological support,
flexibility and scalability.
Therefore, a proposal is sought that optimizes the conditions for automation with
the replacement of modern equipment available in the market, where alternative
approaches are presented that allow the integration of analog instrumentation, the
modification of existing electrical cabinets, a control based in a logical program with
a PLC, monitoring with HMI, and supervision from the plant's SCADA system. This
under an exchange of information between devices via Ethernet.
Automation will significantly increase the efficiency of the operation of the
aforementioned system, as it will result in additional costs such as operation,
maintenance and even energy being saved; It would guarantee a better monitoring
of the process, which means that fault detection is carried out quickly, as well as
greater convenience to interact with the process to the operators of the packaging
area.
This is how the main changes to be made in the development of this Final
Graduation Work, including the total cost of automation within a budget for system
updates of USD 80,000.
Keywords: pasteurization, heat extraction, SCADA, PLC, HMI
xvi
Capítulo 1| Introductorio
2
1.1 Antecedentes
El gran avance en la automatización comenzó a principios de 1950 (Kalpakjian
y Schmid, 2002), y el desplazamiento de la lógica cableada con relés tiene su
principio desde 1968 que MODICON introdujo el concepto PLC a la industria. Desde
ahí, ha sido el preferido por la industria como una opción robusta de procesos de
fabricación en todos los sectores (González, Caballero, y García, 2019).
Los automatismos han sufrido un cambio en la evolución que los ha llevado de
la lógica cableada, donde todas las señales son tomadas en cuenta
simultáneamente por el órgano de tratamiento a más modernas vías que
aprovechan los nuevos avances en informática. Por eso, actualmente, son más
habituales las soluciones programadas basadas en un tratamiento secuencial del
problema, donde las señales son tratadas sucesivamente, en un orden previamente
definido (Higuera, 2005).
En la embotelladora ubicada en Heredia Costa Rica, se introdujo por primera
vez en el año 2006, un sistema para recuperar las aguas post pasteurización, cuyo
funcionamiento consistía en un tanque primario para el almacenamiento de agua,
una torre de extracción de calor y dos bombas centrifugas. En el año 2017, el
sistema fue ampliado con seis equipos de bombeo, tres tanques de
almacenamiento, un sistema de tuberías, un sistema de filtrado, dos torres de
extracción de calor. Sin embargo, aunque se cambió el diseño de funcionamiento,
el principio de la lógica de control cableada con relés se mantuvo igual.
Con base en el escenario descrito en el departamento de mantenimiento y
automatización de la compañía, surge la idea de valorar mejoras hacia más
recientes vías de automatización y comunicación de mayor escalabilidad y
flexibilidad.
Por este motivo, la empresa ha realizado el contacto con un estudiante de
Ingeniería Mecatrónica de la Universidad INVENIO para que valore, diseñe y ejecute
los planteamientos propuestos para implementar la automatización con autómatas
modernos basados en una lógica de control programada.
3
En relación con el proyecto, se han abordado antecedentes nacionales e
internacionales en la automatización para tener un mejor entendimiento sobre su
aplicación en los últimos años y su importancia en distintos procesos industriales.
1.1.1. Internacionales.
Bacilio Loo (2015), en su publicación, Automatización de líneas de
pasteurización, siembra y cultivo de fermentos para la fabricación de yogurt firme,
realiza una renovación y mejora en el control y la supervisión en los procesos de
yogurt firme en la fábrica principal ubicada en Granda (Asturias). Esta tarea supone
inicialmente una evaluación y análisis de las condiciones del equipamiento y
tecnología actual actualizada, para así definir una serie de acciones que permitieron
alcanzar los objetivos propuestos.
El entorno de programación del trabajo se configuró en el software Siemens
STEP 7 con una CPU de la serie S7-300 programado en lenguaje KOP. La
implementación de este proyecto traerá beneficios para la empresa que se traducen
en eficiencia, ahorro de energía y materia prima, así como mejoras en el proceso
de calidad, trazabilidad e identificación de fallos y averías en las líneas de
producción.
1.1.2. Nacionales.
Vargas (2019), en su proyecto de graduación Modernización del sistema
automatizado para el proceso de pasteurización de crema en la cooperativa de
productores de leche, Dos Pinos R.L., desarrolla una propuesta para la
automatización y modernización del proceso de pasteurización, ya que el
controlador que realiza la automatización del proceso fue declarado como obsoleto.
Al ser un procedimiento de vital importancia, se requiere de un PLC con la mayor
precisión, que tenga un control absoluto sobre la el pasteurizado y que brinde una
comunicación estable con el sistema SCADA que lo supervisa.
Para ello, se utiliza un PLC Compact Logix 5370 que se programó utilizando
lenguaje de Contactos (Ladder). La interfaz Humano-Máquina seleccionada es el
Panel View Plus de la generación siete de la familia Allen-Bradley. Con un sistema
4
de pasteurización modernizado, la cooperativa espera que el procesado constante
de crema aumente, pues la robustez de la planta pasteurizadora va a ser mayor y
así se evitan fallas, las cuales paran el procesado del producto, logrando así,
producir una cantidad mayor en un menor tiempo que, al final, se convertirá en un
aumento de la producción general de la cooperativa. El diseño propuesto requiere
una inversión en equipos de 18.179 dólares y se comprobó el funcionamiento del
diseño a partir de simulación por software.
1.2 Planteamiento del problema
¿Cómo se puede desplazar la lógica de control cableada a una programada para
automatizar el sistema de recirculación de agua y extracción de calor, en la planta
embotelladora, Heredia, Costa Rica?
1.3 Problema existente
Actualmente, resulta impensable realizar una instalación de automatización
industrial de nivel medio-alto totalmente cableada. Sin embargo, desde la apertura
del funcionamiento del sistema de recirculación de agua y extracción de calor en el
año 2017, el tipo de automatismo con el que quedó operando fue basado en
técnicas de control cableada, apoyada fundamentalmente en sensores con un
control discreto para determinar el arranque y paro de los equipos de bombeo y de
las torres de enfriamiento, por medio de relés y contactores conectados entre sí que
determinaban su funcionamiento.
Esto plantea serias dificultades en el área de proceso, como los son el espacio
que ocupan los cinco armarios eléctricos que lo compone, la falta de flexibilidad para
añadir nuevas funciones, el mantenimiento, la complejidad de búsqueda de
reparación de averías y la dificultad de dominar situaciones de control complejas
para ahorrar energía y adaptar el sistema a condiciones de demanda. Esto hace
más comprometida su confiabilidad en el funcionamiento y en el monitoreo por parte
de los operadores, quienes cuentan con luces piloto, a modo de visualización local
del comportamiento del sistema y una baliza como visualización remota.
5
Adicionalmente, de los cinco armarios con los que se cuenta para ejecutar el
control, estos no poseen la documentación técnica y el etiquetado correspondiente
actualizado para operar, lo que dificulta aún más la búsqueda y reparación de
averías.
El proceso de pasteurización es el mayor consumidor de agua en la planta
embotelladora, de ahí, su gran importancia. Por ende, resulta de vital importancia
mantener un buen control y monitoreo del sistema de recuperación de agua post
pasteurizado, por lo que se requiere de un PLC que pueda tomar decisiones
precisas, que brinde un control total sobre el sistema y que tenga una comunicación
estable con el sistema SCADA de la planta y con la HMI local y remota. Esto debido
a que es posible que se detenga alguno de los pasteurizadores en plena producción,
si llegase a estar detenido el sistema de recirculación, lo que se traduce en pérdidas
de energía como vapor y electricidad.
1.4 Importancia de su solución
Los PLC han ido sustituyendo desde los años 60, los antiguos sistemas de
control cableados. Así, pues, es evidente que la enorme evolución del software y
hardware ha dado lugar a un campo muy extenso para los autómatas. Al utilizar un
PLC en el sistema de recirculación, supondrá una serie de beneficios para el
proceso que se traducen en estabilidad en el proceso en general; una conexión
segura para la supervisión desde el sistema SCADA; ahorro en costos adicionales
como los de operación, mantenimiento e incluso energía; grabar eventos en
archivos de registro para analizar datos y tomar decisiones importantes; flexibilidad
de agregar recursos adicionales para futuros proyectos; garantizaría un mejor
monitoreo mediante la conexión con una HMI, lo que hace que la detección de fallos
se realice rápidamente y con esto evitar una eventual pérdida de agua o un paro en
el proceso de pasteurización. Asimismo, con la HMI se logra tener una mayor
comodidad y confiabilidad para interactuar con el proceso, por parte de los
operadores del área de envasado de manera local y remota.
6
1.5 Enfoque de la solución
Los resultados de este proyecto establecerán un nuevo modelo de
automatización para el proceso. Para cumplir con los objetivos propuestos, es
necesario comprender el lugar donde se va a desarrollar el proyecto. Este abarca
las secciones de pasteurizado en el área de envasado, la del cuarto de operaciones
de la planta del sistema SCADA y el sistema de recirculación y extracción de calor
como tal.
En este proyecto, se presentan tres limitaciones importantes, la primera es la de
ejecutar los principales cambios en tiempos en que la producción esté detenida,
esto significa esperar una semana para que los pasteurizadores estén detenidos y
realizar cambios importantes; la segunda gran limitante es que todas las pruebas
de conexión cableado y comunicación se tienen que hacer con el sistema en
funcionamiento, sin afectar la producción y, por último, la tercera de las limitaciones
que tiene el proyecto es que no se va a entrar en detalle con el sistema de bombeo,
tubería y filtrado que ya está instalado.
Con base en la situación actual del proceso de recirculación de agua y
extracción de calor, es necesario solventar los problemas ya mencionados en el
proyecto. Para ello, se tomó la decisión de utilizar una combinación PLC-HMI
(Programable Logic Controller-Human Machine Interface), empleando el software
TIA Portal V14 para diseñar y programar la lógica en lenguaje de contactos (Ladder)
y la interfaz gráfica de monitoreo respectivamente.
Con esto, se pretenden aprovechar las tecnologías en comunicación industrial
e información con una escalabilidad para futuros proyectos de manera más flexible.
Asimismo, se pretende realizar una nueva reestructuración en instrumentación y en
los armarios eléctricos.
Capítulo 2| Objetivos
8
2.1 Objetivos del proyecto
2.1.1 Objetivo general.
Automatizar el sistema de recirculación de agua y extracción de calor de tres
pasteurizadores del área de envasado en planta embotelladora, Heredia, 2019.
2.1.2 Objetivos específicos.
•
Reconocer el funcionamiento del sistema de recirculación y extracción de
calor de agua con las que cuenta actualmente la embotelladora.
•
Determinar los requerimientos de instrumentación para el nuevo sistema de
control.
•
Desarrollar la programación del nuevo controlador lógico programable e
interfaz Humano-Máquina que integren todos los parámetros necesarios para
el funcionamiento del sistema de recirculación de agua y extracción de calor.
•
Realizar una reestructuración de los armarios eléctricos existente para el
nuevo control de los equipos que intervienen en el sistema de recirculación
de agua y extracción de calor.
Capítulo 3| Marco teórico
10
En este capítulo, se podrá comprender la automatización que se va a desarrollar
en el proceso de recircular agua y extraerle calor para suministrarla a tres
pasteurizadores de la embotelladora. Para esto, es necesario entender los
principios mecánicos, electrónicos, de control y de comunicación que se necesitan
para encaminar los equipos involucrados en el proyecto hacia un proceso productivo
funcional, ágil y confiable.
La mecatrónica en repuesta a las necesidades latentes de armonizar los
componentes de las maquinas (D’Addario, 2018) establecerá las definiciones
técnicas necesarias en el entendimiento de la ejecución del proyecto.
3.1 Descripción del proceso de pasteurización
El proceso de la pasteurización de la embotelladora es el mayor consumidor de
agua de la compañía y forma parte de uno de los sub procesos requeridos para
tener un producto de calidad. Para que el producto sea pasteurizado, es necesario
que las botellas sean transportadas a través de un túnel por medio de un
transportador y, al mismo tiempo, sean rociadas con agua a diferentes temperaturas
para hacer el calentamiento y después enfriar.
El agua, al tener una gran capacidad calorífica, es un medio conveniente de
transferencia de calor y su temperatura es fácil de controlar. Debido a la gran
cantidad de agua que se demanda diariamente, es importante mantener un sistema
que recupere, que almacene y le extraiga calor al agua utilizada en el proceso de la
pasteurización.
3.2 Tipo de automatización centralizada
Este tipo de periferias en la automatización industrial, se caracteriza por tener
un único nodo, llamado master controlador o PLC, que recibe toda la información
de todos los dispositivos del sistema (sensores, actuadores, interfaces), las
procesa, genera órdenes oportunas para los actuadores y sus interfaces y envía a
11
las salidas las órdenes de acción correspondientes. Siendo de este modo, el
controlador el cerebro de todo el sistema (Párraga, 2017).
Debido al número y tipos de entradas y salidas, la disposición física de los
equipos
(sensores,
controlador,
instrumentos
y
actuadores), el
tipo
de
automatización que se desarrolla en este proyecto es esencialmente centralizada.
3.3 Sistema de recirculación y extracción de calor.
Para entender el proceso de recirculación de agua y extracción de calor, primero
hay que definir que es recirculación. Esta se define como aquella que está vinculado
a volver a impulsar la circulación de algo dentro de un mismo circuito o sistema. El
aire, el agua, por ejemplo, son algunas de las cosas que se pueden hacer recircular.
(Porto y Gardey, 2015)
De tal modo, el sistema de recirculación de la embotelladora es esencialmente
un sistema cerrado (ilustración 3.1) compuesto por un sistema de tuberías y equipos
de bombeo para impulsar o hacer fluir, en este caso, el agua, a través de los tres
pasteurizadores.
Además, para entender el proceso de extracción de calor, se necesita definir
qué es calor. El calor se define como “la energía que se transfiere entre un sistema
y su entorno en virtud de una diferencia de temperatura entre ambos” (Serway y
Faughn, 2001, p. 341). Enfocando la definición anterior a este proyecto, el sistema
sería la circulación continua de agua a través de una torre de enfriamiento, y el
entorno es el aire circundante, que con corrientes de aire generadas por las torres
se utilizan como medio de transferencia de energía. De esta manera, se genera una
diferencia de temperatura que se traduce en el proceso de enfriar o extraerle calor
al agua.
12
Ilustración 3-1 Circuito cerrado del proceso de recirculación y extracción
en la embotelladora
Agua es
utilizada en
pasteurización
El agua es
recuperada,
y se le
extrae calor
El agua es enviada
de nuevo al
proceso.
Fuente: Autor.
3.4 Equipos del sistema de recirculación y extracción de calor
Esta sección se compone de los principales elementos del sistema de
almacenamiento, enfriamiento y filtrado. Aquí se encuentran los equipos para el
funcionamiento del automatismo planteado.
3.4.1 Armario eléctrico.
Los armarios eléctricos, también llamados gabinetes, paneles o cuadros
eléctricos son parte fundamental del hardware, puesto que en ellos se colocan
perfiles DIN, en los que se colocan, a su vez, todos los circuitos de maniobra y
control, protecciones necesarias para el funcionamiento de los actuadores. Al ser
un automatismo centralizado, se cuenta con un armario principal donde toda la
información (señales) de todos los dispositivos del sistema (sensores, actuadores,
interfaces) se comunican con el PLC, y este se comunica con los armarios
secundarios o remotos, para que ambos, en conjunto, puedan interactuar con el
proceso de recirculación de agua y extracción de calor, a través de los dispositivos
que gestionan individualmente.
13
3.4.2 Tanques de almacenamiento.
Para recuperar el agua, es necesario contar con tanques para almacenar la
mayor cantidad de agua y que estos amortigüen las variaciones de consumo en los
pasteurizadores. Para almacenar el agua, se cuenta con tres tanques y cada uno
cumple una función específica para almacenar el agua:
A. Tanque de captación (TC): es el receptor primario del agua proveniente de los
tres pasteurizadores. Aquí, llega a través de una tubería de 8” y un sistema de
cañería que cruza la planta hasta llegar a un tanque con capacidad de 7200
litros (ilustración 3.2.).
Ilustración 3-2 Tanque de Captación
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
B. Tanque de agua caliente (TAC): es el proceso de almacenamiento que le sigue
al de captación. Aquí se almacena el agua filtrada a una temperatura muy similar
a la temperatura del tanque de captación. Tiene una capacidad de carga de 810
hectolitros (ilustración 3.3).
C. Tanque de agua fría (TAF): almacena el agua después de haber pasado por el
proceso de enfriamiento o de extracción de calor, por lo que el agua que se
almacena aquí se encuentra a una temperatura más baja que en los dos
tanques anteriores. Al igual que el anterior, este tiene una capacidad de carga
de 810 hectolitros (ilustración 3.3).
14
Ilustración 3-3 Área de recirculación y extracción de calor
Tanque de agua caliente (Izquierda) y caliente (derecha)
Fuente: Cortesía de la embotelladora
En suma, de las capacidades dadas anteriormente, el sistema está equipado
para una carga de almacenamiento de 1692 hectolitros y estos, a su vez, listos para
alimentar a tres pasteurizadores con variaciones en el nivel y presión.
3.4.3 Filtro de agua TEKLEEN ABW.
Al ser agua reutilizada del proceso de pasteurizado, es necesario que antes
de volverla a enviar esta sea filtrada, cada bomba del tanque de captación cuenta
con un equipo de filtrado como el de la ilustración 3.5. Esto permite que el agua
llegue al tanque de agua caliente más limpia y sin partículas sólidas que pueden
quedar atrapadas en el agua y producir un atascamiento de las boquillas de las
15
torres de enfriamiento o el de los pasteurizadores. La ilustración 3.4 describe el
recorrido del agua una vez que llega al tanque de captación.
Ilustración 3-4 Diagrama de bloques, del proceso de filtrado del agua.
TC
Bomba 1
Filtro de agua 1
Bomba 2
Filtro de agua 2
TAC
Fuente: Autor
Para filtrar el agua, se utilizan filtros de la serie ABW, los cuales son modelos
automáticos, autolimpiables de tipo criba para agua. El sistema de filtración consiste
de un cuerpo con una criba gruesa en la primera etapa y una segunda etapa con
criba fina, con válvula de lavado y con controlador electrónico (ABW Manual, 2016).
Al contener su propio controlador electrónico, no necesita de señales del PLC.
Ilustración 3-5 Filtro de agua en el tanque de captación y las
partes que lo componen.
Fuente: (ABW Manual, 2016)
16
Las generalidades de este filtro se pueden encontrar en ABW Manual (2016).
3.4.4 Torre de enfriamiento.
Las torres de enfriamiento son equipos de intercambio de calor, cuya finalidad
es extraer calor del agua a través del contacto directo con el aire. En este tipo de
intercambiadores de calor, los fluidos calientes y frío entran en contacto uno con
otro de manera directa, en la que un rocío de agua que cae desde la parte superior
de la torre entra en contacto directo y se enfría por una corriente de aire que fluye
hacia arriba (Kreith, Bohn, y Manglik, 2012). Las ilustraciones 3.6 y 3.7 muestran los
modelos de las torres que se emplean para enfriar el agua en el proceso de
recirculación.
Ilustración 3-6: Torre de enfriamiento CP.10.04.00, número uno. Modelo Marley aquatower:
494A.
.
Fuente: Marley Aquatower Uk AQ-13. 2016, p. 2.
Para el caso de este modelo, el flujo de la corriente de aire se descarga de
manera horizontal. Las características del equipo se muestran en la tabla 3.1.
17
Ilustración 3-7 Torre de enfriamiento CP.10.05.00, número dos. Modelo MESAN: MKT-125.
Fuente: MKT CATALOG. 2014, p. 3.
Caso contrario al tipo descarga que realiza el primer el modelo anterior, en esta
la descarga se realiza de manera vertical. Sus especificaciones técnicas se detallan
en la tabla 3.2.
Para ambos modelos, el principio de enfriamiento es el mismo. Se introduce el
agua por el domo de la torre por medio de un sistema de boquillas. Esto con el fin
de distribuir el agua en la mayor superficie posible. Por medio de evaporación,
transferencia de calor sensible y latente del agua al aire, origina que la temperatura
del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda gracias
al abanico que produce la corriente de aire (Galicia Pineda, Saldivar Coria, y
Hernández Ruiz, 2009).
•
Calor sensible: energía que produce un cambio de temperatura sin
cambiar de fase.
•
Calor latente: energía que produce un cambio de fase sin cambiar de
temperatura.
18
Tabla 3-1 Especificaciones técnicas de la torre de enfriamiento 494A Marley Aquatower.
Flujo de agua nominal
Motor (MO.10.04.01)
Entrada tubería.
Salida tubería.
153 GPM
2 HP
6"
6"
Salida inferior máxima (GPM).
310
Temperatura máxima de operación
52 °C
De 35 ℃ a 30℃ con 24
Tasa de enfriamiento
℃ de temperatura de
bulbo húmedo.
Fuente: Autor, basado en Marley Aquatower Uk AQ-13 (2016).
Tabla 3-2 Especificaciones técnicas de la torre de enfriamiento MESA: MKT-125
Flujo de agua nominal
Motor (MO.10.04.01)
Tubería de entrada
Tubería de salida
Temperatura máxima de operación
459 GPM
5 HP
6"
6"
52 °C
De 35 ℃ a 30℃ con 24
Tasa de enfriamiento
℃ de temperatura de
bulbo húmedo.
Flujo de aire
Caída de presión de agua
Diámetro de abanico
44438 CFM
4 PSI
5 ft
Fuente: Autor, basado en MKT CATALOG (2014).
Como es de notar, las dos torres como equipamiento principal necesitan de un
motor que mueva el abanico que genera las corrientes de aire a través de una polea
y una correa. Cada uno de los motores eléctricos, así como la torre de enfriamiento,
se encuentran codificados, según la metodología de etiquetado que se explica en la
sección 4.1.7.1.
19
3.4.5 Sensores-transmisores.
Para entender el concepto de transmisor, se tienen que comprender los conceptos
de sensor y transductor. Debido a que los transmisores son instrumentos que
contienen la circuitería que transforma la señal que sale del sensor, transductor y la
convierte en una señal normalizada tales como 0-10V o 4-20 mA (Harper, 2013),
(Ruiz Vadillo, 2019), (Díaz Fernández, 2011).
•
Sensor: el sensor es un elemento del transductor que responde directamente
a la magnitud física que está en contacto con el medio que se trata de medir.
(Mercedes Granda y Mediavilla Bolado, 2015), (Díaz Fernández, 2011).
•
Transductor: se denomina transductor a todo dispositivo que convierte una
señal física en una señal física de otro tipo, es decir, transforma la señal que
entrega el sensor en otra, normalmente de tipo eléctrico (Mercedes Granda
y Mediavilla Bolado, 2015), (Ruiz Vadillo, 2019).
Es importante comprender que los sensores y transductores se agrupan en una
amplia categoría llamada instrumentos (Harper, 2013). Así pues, durante el
desarrollo de este documento, es posible llamar instrumentos a los transmisores.
La instrumentación utilizada en el desarrollo del proyecto comprende las
variables de medición de temperatura, nivel y presión, con los transmisores que se
explican a continuación.
3.5.5.1
Temperatura
A. Transmisor de temperatura Sitrans TS500.
Este transmisor de temperatura (ilustración 3.8) está ubicado en dos lugares.
El primero es en el tanque de agua caliente. Este mide la tempeaturan antes de
enviarla a a las torres de enfriamiento y determina el encendido de las torres si la
temperatura del agua estuviese por debajo de los 38 °C. El segundo está ubicado
20
en el tanque de agua fría y mide la temperatura, después de haber pasado por las
torres de enfriamiento marcando la temperatura de salida del sistema, es decir,
indica la temperatura mínima del agua que los pasteurizadores pueden esperar
nuevamente.
Ilustración 3-8 Transmisor de temperatura SITRANS T S500 en TAC y en TAF.
Fuente: Sitrans_TS500_SS (2016).
En su diseño, posee un transmisor TH300 y un sensor PT100 a 3 hilos. El Pt100
es un sensor, el cual está hecho de platino (Pt), que varía la resistencia eléctrica
según el cambio en la temperatura. Para la PT100 da 100Ω a 0˚C.
El transmisor TH300 es configurado con un comunicador portátil HART
(Ilustraciòn 3.32). El transmisor recibe la señal del sensor PT100 y transmite a
distancia en una señal electrica normalizada de 4-20 mA a valores de proceso entre
los 0 y 100°C y que ael controlador PLC interpreta en su logica de control.
Algunas de las especificaciones técnicas son representadas en la tabla 3.3
21
Tabla 3-3: Especificaciones técnicas del transmisor de temperatura TS500
Salida
Alimentación
Grado de protección de la
cabeza
Sensor
Tiempo de respuesta
4-20 mA/HART
11-35 VDC
IP67
PT100. Tres Hilos. 30…+400°C
2 a 6s
Fuente: Autor, basado en (Sitrans_TS500_SS, 2016)
B. Transmisor de temperatura Endress and Hauser M TR10.
Este transmisor de temperatura (ilustración 3.9), ubicado en el tanque de
captación, es el encargado de medir la temperatura de llegada al proceso, por lo
que marca la entrada de temperatura con la que va trabajar el sistema.
Ilustración 3-9 Transmisor de temperatura E+H M TR10 del tanque de captación
Fuente: Product tools | Endress+Hauser, 2016
Algunas de las características técnicas se muestran en la tabla 3.4.
22
Tabla 3-4: Tabla de especificación técnicas transmisor M TR10.
Tecnología
Configuración
Alimentación eléctrica
Sensor Interno
Transmisor
Grado de protección
Rango de medida
2 cables, salida analógica de 4 a 20 mA.
Comunicador portátil HART
11.5 a 35 VDC con protección de polaridad.
TPR100, 3 hilos.
TEMP TMT182.
Arriba de IP68.
-200...600 °C.
Fuente: Autor, basado en (Product tools | Endress+Hauser, 2016).
C. Indicador de temperatura WINTERS TBM series
Este indicador de temperatura bimetálico, ilustración 3.10, con una carcasa de
acero inoxidable 304, monitorean los cambios de temperatura en la tubería del
tanque de agua caliente y la de envío hacia los pasteurizadores. Es un medio fácil
a través del cual se puede saber la temperatura, en caso de que la electrónica falle
y se precisara saber la temperatura. El rango de temperatura que puede abarcar
este sensor trabajando tanto en Fahrenheit como en grados Celsius o Dual es de o
a 150 °C.o de 0 a 300 °F.
Ilustración 3-10 Indicador de temperatura WINSTERS TBM series
Fuente: winters.com
El principio de funcionamiento de este sensor se basa en dos láminas de
diferente material que se expanden y se contraen, según sea la temperatura del
23
medio, la expansión del material se aprovecha en un mecanismo que traduce la
curvatura a una escala de temperatura.
3.5.5.2
Nivel.
A. Transmisor SITRANS Probe LR.
El SITRANS Probe LR (ilustración 3.11) es un transmisor de nivel de 2 hilos
apropiado para la monitorización continua de líquidos, utiliza la tecnología de radar
pulsado y una varilla de polipropileno con una estructura aislada herméticamente.
Permite la supresión automática de falsos ecos por perturbación en el medio
(SITRANS Probe Lr, 2015).
Estos transmisores están instalados en dos lugares. Uno en el tanque de
agua fría y otro en el tanque de agua caliente. Tal instrumento está escalado para
transmitir a distancia una señal eléctrica normalizada 4-20 mA al controlador PLC
en una entrada analógica.
Ilustración 3-11 Transmisor para medición de nivel SITRANS Probe Lr
Fuente: SITRANS Probe Lr, 2015.
24
Algunas de las especificaciones técnicas son mencionadas en la tabla 3.5
(SITRANS Probe Lr, 2015).
Tabla 3-5 Especificaciones técnicas del transmisor de nivel SITRANS Probe Lr
Salida analógica
Tecnología
Temperatura de proceso
Presión de proceso
Rango de medida
Alimentación eléctrica.
Tiempo de actualización
4-20 mA ± precisión 0,02 mA
Radar pulsado
-40 ... 80 °C
Hasta 3 bar
0,3 a 20 m (de 1 a 65 ft).
Máximo 30 VDC
1 segundo
Display (integrado)
Pantalla alfanumérica
multisegmento, de cristal
líquido, con gráfico de barras
(representación de nivel)
Configuración
Grado de protección
Temperatura ambiente de
funcionamiento
Comunicador portátil HART
IP 67
−40 a 80 °C
Fuente: Autor, basado en SITRANS Probe Lr (2015)
El transmisor dispone de tres maneras para una sencilla programación del
aparato:
•
SIMATIC PDM
•
HART Hand-Communicator
•
Programadora manual con seguridad intrínseca.
Para efectos de este proyecto, es utilizado el Hart Hand-Communicator
(ilustración 3.32) para escalar el rango de corriente 4-20 mA a valores de proceso
entre 0 y 100 % de nivel.
B. Transmisor Levelflex FMP54.
El Levelflex (ilustración 3.12) es un transmisor de nivel de dos hilos, marca
Endress and Hauser. Está ubicado en tanque de captación para medir en nivel de
agua y utilizado como señal de control para la regulación de la velocidad del flujo de
25
agua de las bombas. Este transmisor tiene una sonda de 2.85 m de largo, lo cual la
hace apropiado para el proceso, ya que el tanque mide 2.5 m. El montaje es con
cabezal remoto, lo que permite observar el valor de proceso en el display
cómodamente.
Ilustración 3-12 transmisor de nivel del tanque de captación Levelflex FMP54
Fuente: Levelflex FMP54, s. f.
Para medir el nivel, se utiliza la constante dieléctrica del medio (agua), este
tiene un impacto directo sobre el grado de reflejo de los impulsos de alta frecuencia.,
El agua, al tener una constante dieléctrica de 66.8 a 60°C (Aceves Navarro, 2005)
hay un fuerte reflejo de los impulso que se transmiten a través de la sonda a la
electrónica. Allí, un microprocesador analiza las señales e identifica el eco del nivel
que generó el reflejo de los impulsos de alta frecuencia sobre la superficie del
producto y los convierte en información de nivel (Levelflex FMP54, s. f.).
Este transmisor, además, proporciona resultados confiables, en este caso,
fases de vapor y espuma, lo que lo hace apropiado al medio, ya que en interior del
26
tanque se produce espuma como resultado del arrastre de producto desde los
pasteurizadores y vapor producto de la temperatura.
Algunas de sus especificaciones técnicas son representadas en la tabla 3.6
(Levelflex FMP54, s. f.):
Tabla 3-6: Especificaciones técnicas del Transmisor de nivel FMP54 E+H
Tecnología:
Conexión a proceso:
Temperatura:
Presión de proceso:
Medida de varilla:
Precisión:
Salida analógica:
Asignación de terminales:
Configuración:
Alimentación eléctrica:
Medidor de nivel radar guiado
Brida.
–196…+450 °C
–1…+400 bar (–14,5…+5800
psi)
2.85 m (máximo: 10 m)
±2 mm (±0,08 in).
4 mA -20 mA
2 hilos
Comunicador portátil HART
11. 5…30VDC
Fuente: Autor, basado en Levelflex FMP54 (s. f.).
3.5.5.3
Presión.
A. Transmisor de presión Rosemount 2088.
El transmisor de nivel Rosemount (ilustración 3.14) tiene un rango de trabajo
de 0 a 10 bar, es utilizado para mostrar la presión entregada por parte de las bombas
de tanque de agua fría.
La función del transmisor es utilizar la señal normalizada y utilizarla en un
lazo de control cerrado, para que las bombas ajusten la velocidad automáticamente
a la presión y demanda de agua requeridos en el instante. Esto significa que, una
vez que se elige el valor de presión de agua requerido en proceso, las bombas
aseguran un flujo constante de agua en la entrada de los pasteurizadores. La
27
ilustración 3.13 muestra la posición del transmisor y el trazado del agua hasta llegar
al área de envasado.
Ilustración 3-13 Posición del transmisor 2088 en proceso.
Envasado
Área de recirculación de
agua y extracción de
calor
Válvulas
V
P1
V
P3
V
P4
Indicador
de presión
Transmisor
Rosemount
PT
PI
Bombas TAF
Fuente: Autor.
La configuración del transmisor se realiza mediante el comunicador portátil
HART (ilustración 3.32). Permite escalar la señal en un lazo de corriente de 4-20
mA entre el instrumento y el controlador a valores de proceso entre 0 y 6 bar.
Ilustración 3-14 Transmisor de presión Rosemount 2088
Fuente: (Rosemount 2088, 2019)
28
3.5.6 Actuadores.
Según Ruiz Vadillo (2019), “los actuadores son elementos que influyen
directamente en la señal de salida del automatismo, modificando su magnitud según
las instrucciones que reciben de la unidad de control”. Siguiendo a Vadillo, para
enfocar la definición anterior en este proyecto, los actuadores se componen
esencialmente de motores eléctricos que usan una coraza para transformar la
energía eléctrica en el movimiento de un fluido, en este caso el agua, y así modificar
la señal de nivel o de presión en el sistema. La definición anterior hace referencia a
un actuador como bomba.
A continuación, se describirán las características técnicas de cada una de
las bombas involucradas y las funciones que realiza dentro de la lógica de control
del modelo de automatización planteado.
3.5.6.1
Bomba centrífuga.
Una bomba centrífuga es una máquina de velocidad relativamente elevada
que tiene un rodete o impulsor dentro de una coraza. Este elemento transfiere la
energía recibida por un motor eléctrico al fluido, por lo que dispone de unos álabes
para conducir e impulsar el fluido por efecto de la fuerza centrífuga hacia la coraza
en donde gran parte de la energía en movimiento es transformado a presión (Cruz,
1996), (ADMIN, 2018). La representación de las partes que componen una bomba
centrífuga se muestran en la ilustración 3.15.
29
Ilustración 3-15: Perspectiva de una bomba centrífuga
Fuente: Universidad de Sevilla (2007)
Para hacer que circule el agua a través del sistema de enfriamiento y que
llegue a los pasteurizadores a una presión optima, es necesario contar con los
equipos de bombeo necesarios que cubran la demanda de los tres pasteurizadores.
Para hacer recircular el agua en este sistema, es necesario utilizar seis
equipos de bombeo que se describen a continuación.
A. Bombas TC.
Estas dos bombas (ilustración 3.16) forman el sistema de bombeo del tanque
de captación. Son las encargadas de conducir el agua a través del filtro y después
enviarla al tanque de agua caliente.
La regulación de velocidad de estas bombas se lleva a cabo a través de un
variador de frecuencia con un control por lazo cerrado con un instrumento de
medición de nivel (Transmisor Levelflex FMP54) y su encendido está limitado
únicamente por el nivel inferior mínimo que haya en el tanque.
30
Las bombas en conjunto con el control por lazo cerrado proporcionan estabilidad
en la recuperación y el trasiego del agua según la demanda en los pasteurizadores.
Estas bombas alternan su funcionamiento de acuerdo con la demanda de agua en
la entrada del tanque para producir un desgaste paralelo de las piezas mecánicas y
aumentar la vida útil tanto del motor como de la bomba. Por lo que en un estado de
alta demanda las dos bombas se mantendrán activas, mientras que en baja
demanda solo una de ellas se mantendrá encendida. Las especificaciones de cada
bomba se encuentran en la tabla 3.7.
Ilustración 3-16: Bombas centrífugas tanque de captación
Bomba PC.10.1.01
Bomba PC.10.01.02
Fuente : Cortesía de la embotelladora
Tabla 3-7 Especificaciones técnicas de las bombas del tanque de captación
Especificaciones
Rotación
Potencia
Velocidad
Bomba PC.10.01.01
Antihoraria
11 KW, 19.5 A
3505 rpm
Bomba PC.10.01.02
Antihoraria
9 KW, 14,6 A
3535 rpm
Fuente : Autor, Basado en los datos de placa.
B. Bombas TAC.
Estas bombas (ilustración 3.17) están ubicada en el tanque de agua caliente,
la función de estas dos bombas es hacer circular el agua caliente a la torre de
31
enfriamiento que se encuentra asociada. Estas bombas operan es su máxima
capacidad de flujo una vez encendidas por lo que su maniobra de control se reduce
a un arrancador suave y un contactor. Al igual que las bombas del tanque de
captación, estas bombas alternan entre sí. Las especificaciones de ambas bombas
se muestran en la tabla 3.8, según los datos de placa del equipo. El encendido de
las bombas está determinado por el nivel de agua que hay dentro del tanque de
agua fría, es decir, que, si el nivel es superior al máximo establecido, no
encenderán.
Tabla 3-8 Especificaciones de las bombas del tanque de captación
Especificaciones
Caudal
Rotación
Potencia
Velocidad
Presión
Bomba PC.10.02.01
447 GPM
Antihoraria
5 HP, 6.3 A.
1750 rpm
18 PSI
Bomba PC.10.02.02
185 GPM
Antihoraria
5 HP, 6.3 A.
1760 rpm
45 PSI
Fuente : Autor, basado en la placa de motor.
Ilustración 3-17: Bombas centrífugas del tanque de agua caliente.
Bomba PC.10.02.01
Bomba PC.10.02.02
Fuente : Cortesía de la embotelladora
32
C. Bombas TAF.
Este sistema de bombeo está ubicado en el tanque de agua fría, compuesto
por las bombas que se muestran en la ilustración 3.18. Corresponde a la etapa final
del sistema de recirculación, ya que alimenta a los tres pasteurizadores a través del
sistema de tuberías. Al igual que las bombas de captación, alternan entre sí, y su
control depende de la regulación por un variador de frecuencia a través del control
por lazo cerrado con instrumento de medición de presión (transmisor Rosemount
2088). El encendido de las bombas está determinado por el nivel de agua que hay
dentro del tanque, es decir, que, si el nivel es inferior al mínimo establecido, no
encenderán.
Mantener la presión bajo este tipo control proporciona que el motor de la bomba
regule la velocidad y se adapte a las condiciones de consumo de los tres
pasteurizadores. Además, La regulación de velocidad permite un aumento de la vida
útil de la bomba, un mejoramiento productivo al alcanzar condiciones de demanda
en presión y además contribuye en el ahorro energético.
Algunas de especificaciones técnicas según placa de motor se muestran en
la tabla 3.9.
Ilustración 3-18 Bombas de tanque de agua fría, envío para pasteurizadores
Bomba PC.10.06.01
Bomba PC.10.06.02
Fuente : Cortesía de la embotelladora
33
Tabla 3-9 Especificaciones técnicas de bombas del tanque de agua Fría
Especificaciones
Caudal
Rotación
Potencia
Velocidad
Bomba PC.10.06.01
N/A
Antihoraria
11 HP, 18.2 A
3540 rpm
Bomba PC.10.06.02
40 m3/h
Antihoraria
10 HP, 13.5 A
3450 rpm
Fuente : Autor, basado en la placa de motor.
3.5.7 Sección eléctrica.
Esta sección está constituida por los diferentes dispositivos eléctricos y
electrónicos, así como los distintos equipos de protección, cuyo objetivo es realizar
el mando para la automatización, de acuerdo con los parámetros de funcionamiento
programados en el controlador.
3.5.8 Sistema de alimentación.
Está constituido por los diferentes equipos que alimentan el sistema de
maniobra, control e instrumentación.
3.5.8.1
Fuente alimentación conmutada siemens 24VDC-10 A.
La fuente de alimentación conmutada Siemens modelo 6EP1334-3BA10
(ilustración 3.19) modifica la tensión recibida a partir de un rango que va desde los
85 VAC a los 500 V AC para convertirlo a una tensión de salida 24 V DC.
34
Ilustración 3-19 Siemens SITOP PSU200M 24 V/10 A.
Fuente: (SITOP PSU200M 24 V/10 A, 2014).
Las especificaciones de este dispositivo se pueden encontrar en SITOP
PSU200M 24 V/10 A (2014).
3.5.8.2
Transformador.
Un trasformador “es un aparato eléctrico que por inducción electromagnética
transfiere energía eléctrica de uno o más circuitos, a uno más circuitos a la misma
frecuencia, usualmente aumentando o disminuyendo los valores de tensión y
corriente eléctrica” (Pérez, 2001, p. 21). Los transformadores que trabajan en el
sistema recirculación (como el de la ilustración 3.20 del panel principal
CP.10.01.00). son los encargados de transformar 480 VAC en el devanado primario
para tener una tensión de salida en el devanado secundario de 120 V AC ya sea a
50 o 60 Hz.
35
Ilustración 3-20 transformador STU500/2X115 2,5 AMP armario principal (CP.10.01.00)
Fuente: Autor.
Dentro de sus especificaciones más importantes es que cuentan con dos
salidas a 120 VAC y entrega una corriente de 2,5 A. Lo suficiente para la capacidad
de carga que maneja (Tabla 5.9).
3.5.9 Dispositivos de maniobra y control.
3.5.9.1
Variadores de frecuencia.
El variador de frecuencia es un “dispositivo electrónico capaz de controlar
completamente los motores eléctricos de inducción por medio del control de la
frecuencia de alimentación suministrada” (Piñero Rueda, 2015, p. 8). En los equipos
de bombeo, se consigue la variación del flujo de agua modificando la frecuencia de
los motores. Algunas de las bombas, como se mencionó anteriormente, tienen un
control por lazo cerrado, que hace variar la velocidad de funcionamiento de las
bombas por medio del variador, según las condiciones de control en el PLC.
Por otro lado, la variación de frecuencia en los motores mejora la eficiencia de
los sistemas, reduciendo el consumo energético de las bombas al adaptar la
velocidad a condiciones de demanda (González, 2016).
36
El sistema de recirculación utiliza cuatro variadores de frecuencia que se
describen a continuación:
A. Variador de CA PowerFlex 525.
Este variador es el encargado de controlar la frecuencia de la bomba
PC.10.06.02, su frecuencia de trabajo está configura para que trabaje a un máximo
de 60 Hz y un mínimo de 40 Hz. Su propósito es mantener una regulación de la
velocidad del motor optima, asegurando la presión de demanda de los
pasteurizadores. El variador es representado por la ilustración 3.21.
Según el fabricante PowerFlex 525 (2016), las principales características de
este dispositivo son:
•
Funciona a altas temperaturas ambientales de hasta 70 °C.
•
Admite una integración perfecta en el entorno Logix y las redes
EtherNet / IP con EtherNet / IP ™ incorporado.
•
Clase de voltaje: 480 VCA, 3 fases.
•
Potencia: 15 HP, 24 A.
•
Posee un diseño modular: una sección de control y una de potencia.
•
Dos entradas analógicas
•
Una salida analógica
•
Siete entradas digitales
•
Dos salidas de optoacoplador y dos salidas de relé.
37
Ilustración 3-21 Variador PowerFlex 525 Allen-Bradley
Fuente: PowerFlex 525 (2016)
B. Variador de CA PowerFlex 70.
El variador de frecuencia (ilustración 3.22) se encarga de controlar la otra
bomba del tanque de agua fría (PC.10.06.01). Al igual que PowerFlex 525, su
propósito es mantener una regulación de velocidad del motor optimo asegurando la
presión de demanda de los pasteurizadores. Ambos trabajan en conjunto de
acuerdo con la lógica del PLC que los controla. La frecuencia de trabajo está
configurada para que el máximo sea de 60 Hz, y la mínima sea de 40Hz.
Ilustración 3-22 Variador de CA PowerFlex 70 Allen Bradley.
Fuente: Variadores de CA PowerFlex 70 (2019)
Algunas de características principales según el fabricante (Variadores de CA
PowerFlex 70, 2019) son la siguientes:
38
•
Control V/Hz, control vectorial sin sensores, control vectorial con
tecnología FORCE™.
•
Tensión de suministro: 380-480.
•
Potencia: 15 HP
•
Varía su rango de operación, su consumo de potencia, sus caballos de
fuerza (Hp) y su corriente eléctrica.
•
Protección contra sobrecarga del variador.
•
Protocolo
industrial
común
(CIP™)
que
incluye
DeviceNet™,
ControlNet™ y EtherNet/IP™.
•
Seis entradas digitales, dos salidas de relé, dos entradas analógicas y
una salida analógica.
C. Variador de CA Danfoss FC280.
El variador (ilustración 3.23) está ubicado en el área de recuperación para
controlar las dos bombas del tanque de captación. Tanto la bomba PC.10.01.01
como la PC.10.01.02 cuentan con el mismo variador de frecuencia. El propósito de
ambos variadores es regular la frecuencia para mantener una velocidad del motor
de acuerdo con la demanda, asegurando un nivel de consigna o set point para el
control por lazo cerrado.
Ambos trabajan en conjunto, de acuerdo con la lógica del PLC que los controla.
La frecuencia de trabajo máxima configurada en este dispositivo ha sido de 60 Hz,
y la mínima de 35Hz.
39
Ilustración 3-23 Variador de frecuencia Danfoss FC280
Fuente: Midi Drive FC280 (2018)
Algunas de las especificaciones técnicas principales, según el fabricante son:
•
Está diseñado para funcionar a 45 ° C a plena carga y hasta 55 ° C
con reducción de potencia.
•
Tensión de suministro: 380-480.
•
Potencia: 15 HP.
•
Seis entradas digitales, una salida a relé, dos entradas analógicas y
una salida analógica.
D. Contactores.
Los contactores electromagnéticos (ilustración 3.24) están asociados con la
maniobra de control remoto y, por ende, a la automatización. Estos dispositivos son
esencialmente un relevador de bobina que cuando se cierra el contacto de la salida
digital del PLC, se aplica una tensión sobre los terminales asociados con la bobina
(A1, A2) y se cierra el contacto que alimenta el circuito de potencia. El contactor
tiene la capacidad de cerrar tres interruptores, siendo idóneo para alimentar un
motor trifásico. Dispone, además, de contactos auxiliares NC (Normally Close) y NO
40
(Normally Open) que hacen posible, (para este proyecto) enviar una señal al PLC
de confirmación de que los contactos se han cerrado.
Ilustración 3-24: Contactor Siemens de potencia para
motores (3RT2016-1BB41), 3 polos.
Fuente: «Siemens Website» (2019)
E. Arrancadores suaves.
Los arrancadores suaves se utilizan en los equipos que no precisan de un
control avanzado como lo puede ofrecer un variador de frecuencia. Por lo tanto, un
arranque suave se puede entender como un dispositivo electrónico que permite
reducir la corriente de arranque, determinar el par y fijar el tiempo de arranque y
parada, haciendo posible una alimentación muy gradual del motor que se
incrementa durante todo el procedimiento, evitando esfuerzos en las partes
mecánicas (Montecelos, 2016).
Como requerimiento de operación, las bombas del tanque de agua caliente
siempre tienen que operar en su máxima capacidad, por lo que su control se reduce
a un arranque y una parada. Debido a esto, se instalan dos arrancadores suaves
marca EATON de 7,5 HP a 480 VAC (ilustración 3.25). Pueden ser ajustados con
un tiempo de arranque y parada máximo de 30 segundo y un par inicial mínimo del
30 al 100 por ciento. Para efectos de este proyecto, se han ajustados los tiempos
de arranque parada a 15 segundos y un par inicial del 50 %.
41
Disponen, además, de una bobina a 120 V AC que cierra tres contactos para
alimentar un motor trifásico, y un contacto con que el que habilita una Fase (120
VAC) cuando los contactos han sido cerrados.
Ilustración 3-25 arrancador suave utilizado en las bombas
del Tanque de Agua Caliente.
Fuente: Soft starter (2019)
Estos dispositivos ayudan a proteger el motor y contribuyen al ahorro de
energía. En la ilustración 3.26 se puede apreciar el equilibrio en el consumo de
corriente que produce un arranque suave en comparación con un arranque directo
o en estrella o delta.
42
Ilustración 3-26: Comportamiento de la corriente para diversas modalidades de arranque
Fuente: Montecelos (2016)
3.5.10 Sistema de protección.
Esta sección lo constituyen aquellos equipos que encierra la automatización en
los armarios eléctricos de control, con el fin de protegerlos y evitar la destrucción de
equipos, daños al personal o instalaciones por causa de una falla que podría
iniciarse de manera simple y después extenderse sin control en forma encadenada.
A. Interruptores termomagnéticos siemens.
Estos interruptores (ilustración 3.27) permiten abrir o cerrar un circuito como si
se tratara de un switch, excepto que estos interruptores se pueden abrir de manera
automática, si el valor de la corriente que circula en ellos excede el valor nominal de
corriente que pueden soportar. Después de que estos interruptores se abren
(disparan), se debe reestablecer manualmente (Harper, 2001).
Estos interruptores tienen el fin de cuidar la vida útil de la red eléctrica, ya que
un exceso de corriente puede provocar calentamientos en los cables o en el peor
de casos que se funda el conductor.
Se pueden encontrar en 1, 2 y 3 polos, y diferentes rangos de corriente, según
la línea eléctrica que se quiera proteger.
43
Todos los interruptores termogénicos colocados en los armarios eléctricos están
dimensionados, según la corriente que soporta el calibre de cable que protege.
Ilustración 3-27 Interruptor termomagnético de un 1 polo.
Fuente: «Siemens Website» (2019).
B. Guardamotores
Los guardamotores (ilustración 3.28), conocidos también como relevadores
térmicos o relevadores de sobrecarga, son dispositivos sensibles a la temperatura,
cuyos contactos abren o cierran cuando la corriente del motor excede un límite
preestablecido (Harper, 2001). Son utilizados como elementos de protección aguas
arriba de la conexión de cada motor, con el fin de proteger la línea de potencia que
alimenta al motor eléctrico. Así que, por cada motor utilizado en los armarios
eléctricos, se cuenta con un dispositivo de protección como este, ajustando el
modelo del guardamotor a la potencia de cada motor. El guardamotor, además,
dispone de contactos auxiliares NC (Normally Close) y NO (Normally Open) que
hacen posible enviar una señal al PLC en caso de disparo por protección.
44
Ilustración 3-28 Guardamotor siemens 3RV2011-1HA10
Fuente: «Siemens Website» (2019)
C. Relé de seguridad.
Un relé de seguridad (ilustración 3.29) garantiza el máximo nivel de seguridad
requerido en los sistemas eléctricos de control. Asegura que, en el caso de llegar
una señal de parada de emergencia, el relé funcionará con mayor fiabilidad que un
relé estándar.
El funcionamiento de este dispositivo se basa en la redundancia y el autocontrol.
La redundancia consiste en la duplicidad de circuitos y con el auto control se
comprueba automáticamente el funcionamiento de todos los componentes que
cambian de estado en cada ciclo de funcionamiento (integración de relés con
contactos de apertura y cierre ligados mecánicamente) (Mecafenix, 2017,
párr. 2).
Los armarios eléctricos de control del sistema de recirculación de agua y
extracción de calor cuentan con un relevador de seguridad que supervisa los
elementos de seguridad (en este caso hongos de emergencia). En caso de parada
de emergencia en los armarios, el relé de seguridad dispone de una salida como
señal para el PLC, con el fin de que este se “entere” de que el relé de seguridad se
ha desconectado, y que el programa reaccione adecuadamente deshabilitando
todas señales de salida digitales. Además, cuenta con tres contactos de seguridad
45
NA y uno NC. Este último contacto se utiliza para desenergizar la tensión a 24VDC
que alimenta a las salidas digitales del PLC. Asegurándose de que la potencia de
motores quede desenergizada.
Ilustración 3-29 Relé de seguridad PNOS S2 de Pilz utilizado para los armarios.
Fuente: (PNOZ S2, s. f.)
Las generalidades de este relé de seguridad se pueden encontrar en PNOZ
S2 (s. f.).
D. Seccionadores.
Los seccionadores son elementos auxiliares para los dispositivos de seguridad.
Estos se instalan en línea con la instalación y tienen la capacidad de cortar o
seccionar, las líneas de potencia a una orden de cualquiera de los dispositivos de
seguridad. Están instalados en los paneles alimentado con 480 VAC. Se encuentran
en la puerta del armario (ilustración 3.30), con el propósito de deshabilitar toda la
potencia en el tablero para intervenirlo por mantenimiento, reparación de avería u
otra acción que no requiera que esté energizado.
46
Ilustración 3-30 Seccionador EATON P3-63, 37KW panel CP.10.01.00
Fuente: Cortesía de la embotelladora
3.5.11 Enlaces de comunicación
A. Protocolo PROFINET.
Este protocolo de comunicación es uno de los estándares de comunicación más
utilizados en redes de automatización. Profinet está basado en Ethernet Industrial,
TCP/IP en la que se pueden conectar dispositivos como HMI, PROFINET IO y
dispositivos basados en TCP/IP estándar en la misma red sin problemas
(Protocolos PROFINET HMI, 2019).
Entre sus características más importantes destacan:
•
Capacidad en tiempo real.
•
Al ser un estándar abierto permite la interconexión industrial basada
industrial Ethernet.
•
Compatibilidad de Industrial Ethernet y componentes Ethernet estándar.
•
Ejecución de tareas de mantenimiento y prestación de servicio desde
cualquier lugar con acceso a internet mediante VPN.
La conexión en red de dispositivos PROFINET en plantas industriales se puede
realizar básicamente de dos maneras físicas diferentes:
47
•
•
Por cable.
•
Con señales eléctricas a través de cables de cobre.
•
Con señales ópticas a través de cables de fibra óptica.
Inalámbrico por radiotransmisión, a través de ondas electromagnéticas
mediante Routers y Access Point.
En este proyecto, la comunicación del PLC se realiza utilizando la conexión
física por cable, hasta llegar a conectarlo a la red de área local virtual (VLAN) de la
empresa. Una vez establecida la conexión a la VLAN, el autómata puede
comunicarse con el sistema SCADA de la planta y la HMI remota.
B. Switch
Un swicth es un dispositivo esencialmente electrónico que se encarga de la
interconexión de quipos dentro una misma red. (Gonzáles, 2013). Mediante el uso
de dicha unidad, es posible unir bajo el protocolo Profinet, el PLC y la HMI local por
la cual se interconectan hacia red de área local virtual (VLAN), y esta, a su vez,
permite establecer comunicación dentro y fuera del edificio con el sistema SCADA
y la HMI remota de la planta.
El switch utilizado en el proyecto es el Stratix 2000 (ilustración 3.31). Este swicth
no administrable de cinco puertos permite recibir y distribuir tramas para el
conexionado entre la VLAN, el PLC y la HMI bajo el protocolo de comunicación
Profinet.
48
Ilustración 3-31 Swicth Stratix 2000 no administrable 5 puertos
Fuente: Rockwell Automation (2017)
C. Sistema SCADA.
SCADA proviene de las siglas “Supervisory Control and Data Adquisition”
(Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Estos sistemas usan aplicaciones de
software diseñadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia
proporcionando comunicación con los dispositivos de campo y controlar el proceso
de forma automática desde la pantalla del ordenador en un cuarto de operaciones.
También, provee toda la información que se genera en un proceso productivo a
diversos usuarios como operadores, ingenieros, supervisores u otras áreas que
involucre saber el estado de una máquina u proceso (Hernández Cevallos y
Ledesma Marcalla, 2010). Para que el sistema de recirculación sea visto desde el
SCADA de planta, es necesario que el controlador establezca comunicación con la
red de área local de planta, de esta manera, a través del protocolo Profinet y el
software Wonderware que maneja la compañía para sistemas SCADA, se puede
acceder a la dirección IP del controlador y consultar las variables de proceso que
se requiera supervisar por el personal del cuarto de operaciones.
49
D. Protocolo HART.
El protocolo de comunicación HART, por sus siglas Highway Addressable
Remote Transducer (Transductor remoto direccionable en red), es un estándar
totalmente abierto que permite tener una mayor flexibilidad en la comunicación y
configuración de los dispositivos de campo que utilicen señales analógicas 4-20 mA.
Su principio de comunicación se basa en la superposición de la información digital
a la señal de 4-20 mA, como se observa en la ilustración 3.32.
Ilustración 3-32: Conexión punto a punto para la configuración del transmisor Rosemount 2088 con
el comunicador portátil.
A: Alimentación VCC. B: RL>250 (necesaria solo para la comunicación Hart)
Fuente: Rosemount 2088 (2019)
Al utilizar todos los instrumentos del sistema de recirculación de agua y
extracción de calor con este protocolo de comunicación, permite que la
configuración, el acceso a todos los parámetros, la información del dispositivo, así
como el diagnóstico del instrumento, pueda alcanzar un mejoramiento en el control
del proceso de la puesta en marcha de la instalación y una reducción en los costes
de mantenimiento (Areny, 2005). El acceso a la información del instrumento y la
50
configuración se realiza punto a punto en una relación maestro esclavo donde el
esclavo es el instrumento y el maestro secundario sería el comunicador portátil
HART (ilustración 3.33), se dice que es secundario porque el primario es el PLC
(Contreras González, 2014).
Ilustración 3-33: Superposición de la señal digital a la analógica La información digital se modula
en frecuencia con 1200 Hz para representar el “1” y 2200 Hz para el representar el “0”
Fuente: López (2013) .
3.5.12 Sección de control + monitoreo.
A. Interfaz Hombre Máquina. (HMI).
HMI, Human Machine Interface, por sus siglas en inglés, se centra
principalmente en la interacción entre el operario y el proceso. Permite controlar y
monitorear un proceso o una parte del proceso mediante una interfaz gráfica.
Permite, adicionalmente, mostrar históricos, alarmas, reportes, entre otros (Penin,
2007).
Bajo la definición anterior, en este presente trabajo, la HMI es la encargada de
mostrarle al operador el estado de las distintas variables del proceso, como la
51
presión de envío, el nivel de los tanques, la temperatura, el estado de las bombas y
de las torres; mostrar avisos, alarmas y advertencias; configurar parámetros del
sistema, ver gráficos de comportamiento de las variables de nivel, temperatura y
presión en tiempo real y, además, tener un registro bimensual del comportamiento
del sistema, entre otras.
La HMI se conecta al PLC usando un puerto de comunicación común para
ambos, a través del protocolo de comunicación PROFINET, esto permite el
monitoreo del estado del proceso trayendo y enviando los datos desde y hacia el
PLC en el área de monitoreo local y remoto.
En la ilutración 3.34 se muestra la intección entre el operador humano y la
interfaz.
Ilustración 3-34 Interacción entre el operador y el proceso controlado
mediante una interfaz hombre-máquina
Fuente: Ponsa Asensio y Vilanova Arbós (2006)
Las HMI se encuentran en gran variedad de marcas y prestaciones en el
mercado que se adaptan a distintos entornos y procesos, en algunos casos viene
HMI embebidos en PLC. En este presente proyecto se utiliza una interfaz hombremáquina de la marca siemens TP700 Comfort (ilustración 3.35). Esta es una
pantalla táctil de 7 pulgadas, con alimetación a 24VDC, basado en protocolo TCP/IP
en su sistema. Las generalidades de esta pantalla se pueden encontrar en SIMATIC
HMI TP700 COMFORT (2015).
52
Ilustración 3-35: HMI TP700 comfort que controla y monitorea el sistema de recirculación
y extracción de calor
Fuente: SIMATIC HMI TP700 COMFORT (2015).
B. El controlador Lógico Programable, PLC.
Un controlador lógico programable o PLC, por sus siglas en inglés
“Programmable Logic Controller”, también llamado autómata programable. Es un
dispositivo electrónico utilizado en la industria de la automatización para controlar a
través de entradas y salidas diversos tipos de máquinas o pocesos (Vargas, Osorio,
y Escobar, 2011).
Asimismo, un PLC realiza funciones como: tomar decisiones en base a criterios
preprogramados, almacenar datos en la memoria, generar ciclos de tiempo, realizar
cálculos matemáticos, actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas
analógicas y digitales, recoger datos de las entradas ya sean digitales o analógicas,
comunicarse con otros dispositivos externos, entre otros (Bollaín Sánchez, 2019).
Los PLC permiten adaptarse a las necesidades que se tengan al momento de
automatizar, ya que manejan el concepto de modularidad, el cual permite adaptar
módulos de entras y salidas (SM), tanto analógicos, digitales y de comunicación, lo
cual permite extender a aplicación tanto como se requiera (Lojan Bermeo, 2015).
Un controlador lógico programable se compone principalmente de una Unidad
Central de Procesamiento (CPU), módulos de señal para señales de entrada y
salida (SM), fuente de alimentación, módulos de memoria y una unidad de
53
programación (Mecafenix, 2018). Estos dispositivos de control industrial se pueden
encontrar en distintas prestaciones según la aplicación que se desarrolle. Para el
proyecto de recirculación de agua y extracción de calor, se dispone de una
automatización con periferia centralizada, por lo que las señales que controla el
autómata se resumen en una única CPU de la serie S7-1200 Siemens (ilustración
3.36) que controla y direcciona el proceso.
Ilustración 3-36: CPU S7-1200 Siemens
Fuente: SIMATIC S7 (2016)
Alguna de las características más importantes de este autómata compacto son
las siguientes:
•
Posee una fuente de alimentación integrada.
•
Circuitos de entrada y salida.
•
PROFINET integrado.
•
E/S de control de movimiento de alta velocidad y entradas analógicas
incorporadas.
•
Admite la conexión modular de hasta ocho módulos de señales.
•
Puede ampliarse hasta con tres módulos de comunicación.
•
Expansión de memoria.
•
Puede admitir hasta 16 lazos de control PID.
Para más detalle acerca del PLC, se puede encontrar en SIMATIC S7 (2016).
54
C. Módulos de entrada y salida (I/O).
Los módulos para señales de entrada y salida (SM), analógicos y digitales,
permiten la conexión del controlador a las señales del proceso, los módulos dan una
gran flexibilidad a los procesos automatizados, ya que se adaptan al CPU del
controlador según las necesidades de la automatización.
Para la automatización del sistema de recirculación de agua y extracción de
calor, es necesario contar con módulos de señal, tanto digitales como analógicos,
en la CPU S7-1200 para cablear todas las señales de los transmisores y de los
dispositivos de maniobra y control que activan los actuadores.
D. Control por lazo Cerrado, PID.
PID, Controlador Proporcional, Integral y Derivativo, es un mecanismo de control
simultáneo por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial,
que permite controlar un sistema mediante un lazo cerrado, para que alcance el
estado de salida deseado (Pardo, 2019).
En la ilustración 3.37, se muestra la configuración general de un sistema básico
en lazo cerrado, pero elemental para describir su funcionamiento. Consta de un
elemento de comparación que toma señal de referencia y la compara con el valor
medido (Set Point), un elemento de control que cuando recibe la señal de error
decide que acción llevar a cabo (PLC), un elemento de corrección que produce un
cambio en el proceso, con el fin de corregir el error o modificar la condición
controlada (actuador), la variable de proceso que es aquello que se está controlando
(nivel y presión), y, por último, un elemento de medición que produce la señal
relacionada con el estado de la variable del proceso que se controla (transmisor de
presión o nivel que produce un salida eléctrica en un rango de 4-20 mA) (Bolton,
2002).
Los elementos que se encuentran en paréntesis son los que hacen referencia a
este proyecto, con el propósito de comprender cómo es que se adapta el sistema
de recirculación de agua a las condiciones de demanda de los pasteurizadores.
55
Ilustración 3-37: Elementos de un sistema de control cerrado.
Elemento de
comparación
Valor de
referencia
Señal de
error
(PLC)
(Bombas-motores)
(Nivel, Presión)
Unidad de
corrección
Proceso
Unidad de
control
Variable
controlada
(Señal 4-20 mA)
(Set Point)
Valor medido
Transmisor
Fuente: Autor, basado en Bolton (2002).
E. Leguaje de programación Ladder (LD).
La lógica de control consiste en una serie de instrucciones a partir de funciones
aritméticas e instrucciones formadas a partir de lo que se espera que haga el
elemento final o actuador en respuesta a una entrada que desencadena una serie
de acciones sobre el sistema que controla.
Existe un estándar de la comisión Internacional Electro-Técnica (IEC) 1131-3, es
el único estándar válido en todo el mundo para los lenguajes de programación de
los controladores lógicos programables. Establece cinco lenguajes de programación
que son: Listado de instrucciones (IL) Texto Estructurado (ST), Diagrama de
bloques Funcionales (FBD), Diagrama de escalera o Ladder (LD) y el diagrama de
funciones secuenciales SFC (Fernández, 2019).
En la ilustración 3.38, se muestra el ejemplo de cada uno de los lenguajes
mencionados.
56
Ilustración 3-38: Ejemplo de los lenguajes de programación para los PLC
Fuente: Lojan Bermeo (2015)
Para Fernández (2019): “El lenguaje más utilizado por los especialistas
eléctricos es el de contactos o LADDER, y está basado en los esquemas eléctricos
clásicos” (p. 2). Bajo este tipo de lenguaje gráfico, LADDER es con el que será
desarrollado el programa también conocido como KOP en el entorno de TIA Portal.
Puesto que no se trata de un lenguaje complejo, resulta más intuitivo y sencillo
familiarizarse con él, tanto para entender su funcionamiento como para modificarlo
en un futuro. Además de que es el más utilizado por técnicos e ingenieros en la
embotelladora.
3.5.13 Software TIA Portal como herramienta de programación.
TIA Portal, Total Integrated Automation Portal, por sus siglas en inglés, se
trata de una herramienta para la programación del PLC SIMATIC S7 1200.
57
Con TIA Portal se configura el algoritmo que ejecuta la CPU. Permite
configurar y guardar de manera eficiente e intuitiva todos los datos del proyecto
tanto de la lógica de control como de la interfaz gráfica en un solo proyecto, al que
se accede a través de una interfaz de usuario (ilustración 3.39)
Ilustración 3-39: Interfaz de usuario de software TIA Portal.
Parte del algoritmo realizado en la lógica de control.
Fuente: Autor.
Este software “incorpora y unifica el manejo integrado de los programas
SIMATIC step 7, WinCC y Startdrive, permitiendo la programación, parametrización
y diagnóstico del controlador S7-1200 en una única herramienta” (Vázquez, 2019,
p. 131).
Los leguajes de programación de TIA Portal cumplen los requisitos de IEC
61131-3. Dispone, además, de varias licencias: Basic, Comfort, Profesional,
Advanced y su clasificación depende de los dispositivos que se vayan configurar en
la automatización. Por lo que, basado en la ilustración 3.40, se necesitan las
siguientes licencias en STEP 7 y WinCC, según los dispositivos que se van a utilizar:
•
Para el PLC S7-1200: Basic, como mínimo.
58
•
Para la HMI TP700 Comfort: Comfort o Advanced, como mínimo.
Ilustración 3-40: Integración de herramientas en TIA Portal.
Fuente: Vázquez (2019)
3.5.14 Control lógico programable.
“El control lógico programable es aquel que se efectúa mediante un PLC”
(Cualificación y González, 2017, párr. 3). Para diseñar un sistema de control
automático, es necesario contar con los dispositivos correctos que permitan tener
una lógica de control programada como: la fuente de alimentación, módulos de
entradas y salidas tanto analógicos como digitales, sistemas de protección,
dispositivos de maniobra y control, el cableado que comunica con los transmisores
y actuadores con los módulos de entrada y salida y por último el PLC. La ilustración
3.40 representa el ciclo de trabajo de un sistema automático, a través de una lógica
programada, donde cada ciclo de ejecución se llama ciclo de barrido (scan), el cual,
de acuerdo con Bollaín Sánchez (2019), normalmente se divide en:
•
Lectura de estado de entradas.
•
Ejecución de la lógica programada
•
Actualización del estado de las salidas
59
Ilustración 3-41: Ciclo de un autómata con lógica programada.
Fuente: Autor, Basado en Bollaín Sánchez (2019)
Las instrucciones específicas que se le dan al PLC en el programa se realizan
mediante el lenguaje de programación Ladder en el software TIA Portal. Estas
instrucciones actúan sobre el proceso y permiten ser modificadas, según convenga.
Lo que da una gran flexibilidad al código que lo controla para realizar cambios y
observar las acciones que realiza o realizará el PLC, a través de una conexión
Ethernet en el computador.
Capítulo 4| Procedimiento
metodológico
61
Dentro de este capítulo, se describe la manera en la que se fue desarrollando el
proyecto para obtener la información que se necesita para su elaboración. Se
especificarán los elementos necesarios para llevar acabo el análisis en función de
cada uno de los objetivos específicos.
4.1 Metodología de desarrollo
Para cumplir con cada uno de los objetivos específicos, se tomaron en cuenta
las siguientes tareas divididas entre las acciones más importantes a realizar para el
desarrollo del proyecto.
4.1.1 Reconocimiento del proyecto.
Antes de intervenir el sistema de recirculación y extracción de calor, se necesita
hacer un levantamiento de las necesidades del área de envasado y del
departamento de automatización. Por lo tanto, para definir estas necesidades, se
estudia el estado actual del sistema con la documentación técnica existente, la
operación diaria del personal de producción, así como su gestión desde los
departamentos que velan por el consumo de agua y su estado en general. Una vez
definidas las necesidades, se pueden establecer las condiciones de mejora y
cambios correspondientes para la automatización.
4.1.2 Selección de instrumentación.
La instrumentación que se va a utilizar en el proyecto, se selecciona en conjunto
con el departamento de Metrología e Instrumentación, debido a que este
departamento es el que vela por toda la instrumentación existente en la planta. La
configuración, instalación mecánica y eléctrica de los instrumentos se realizan a
partir de la hoja de datos del fabricante de cada instrumento.
4.1.3 Red de comunicación.
Para la implementación del sistema de monitoreo local y remoto, se determinan
las necesidades de comunicación e intercambio de información entre el PLC, HMI y
SCADA, en conjunto con el departamento de Tecnologías de Información (TI) que
da soporte a la empresa. Una vez definidas estas necesidades, se configuraron los
62
puertos y el trazado del cableado de la red necesario para asegurar la comunicación
física entre las áreas involucras del proyecto.
4.1.4 Sistema SCADA.
Para poder supervisar el sistema desde el SCADA en la sala de control es
necesario, en primera instancia, asegurar la conexión del PLC a la red industrial de
la plata, para, posteriormente, establecer los requerimientos, mediante una lista de
TAG con la dirección de las variables en la memoria del PLC que se quiere consultar
para observarla desde el SCADA.
Al ser el SCADA un sistema que tiene restricciones de acceso y edición por
el personal de la embotelladora, se le brindará esta información a la compañía sub
contratada “GNE”, encargada de administrar los cambios en el SCADA para que
realice las modificaciones pertinentes.
4.1.5 Programación.
A partir de los lineamientos planteados por el departamento de automatización,
se desarrolla la secuencia de programación en el PLC en lenguaje Ladder, puesto
que es el más conocido por el personal técnico de la empresa.
Es necesario mencionar que, en el desarrollo del programa, el uso de software
para el PLC y la HMI está validado bajo las licencias correspondientes que acreditan
el derecho de administración en la compañía.
4.1.6 Armario eléctrico.
Para la reestructuración de todos los armarios eléctricos, se establece en
conjunto con el departamento de Automatización y Mantenimiento, realizarlo bajo el
soporte técnico de la empresa Nova Electra S.A., que brinda servicio al sector
eléctrico industrial. Dicha empresa realizará el cableado de control, el montaje de
los tableros eléctricos y brindará los planos eléctricos del trazado del nuevo orden
de los armarios.
63
4.1.7 Conexión entre software y hardware
Para llegar al correcto acoplamiento entre las condiciones de software y
hardware, se necesita establecer una metodología que permita la conexión entre
las señales que se programan en el PLC y las que se conectan físicamente en cada
módulo de entradas y salidas. Para esta tarea, es necesario definir el correcto
etiquetado de los equipos para clasificarlos como único elemento. Esto significa
hacer las siguientes acciones:
4.1.7.1
Codificación de equipos.
Para desarrollar una correcta integración entre las condiciones de software y
hardware, a cada equipo se le asigna una etiqueta, con el fin de tener una clara
identificación de estos, lo cual permite ubicarlos en los diagramas eléctricos y P&ID
rápidamente como único elemento dentro del proyecto.
Para codificar cada instrumento, actuador y armario, se siguen las
abreviaciones de los equipos de la tabla 4.1, las reglas de la tabla 4.2 y el formato
de la ilustración 4.1. Con esta información se define el etiquetado que corresponde
a cada dispositivo.
Tabla 4-1 Abreviación de equipos para el primer segmento del formato.
CODE
CT
MO
PC
TK
LIT
LT
PI
PT
PTI
TI
TT
TTI
APR
APT
AQT
DESCRIPCION
DESCRIPTION
Torre de Enfriamiento
Cooling Tower
Motor eléctrico
Electric motor
Bomba centrífuga
Centrifigal pump
Tanque de almacenamiento
General storage tank
INSTRUMENTOS / INSTRUMENTS
Transmisor e indicador de nivel
Level indicator and transmitter
Transmisor de nivel
Level transmitter
Indicador de presión
Pressure indicator
Transmisor de presión
Pressure transmitter
Transmisor e indicador de presión
Pressure indicator and transmitter
Indicador de temperatura
Temperature indicator
Transmisor de temperatura
Temperature trasnmitter
Transmisor e indicador de
Temperature indicator and
temperatura
transmitter
FLUIDOS / FLUIDS
Agua de proceso
Process water
Agua potable
Potable water
Agua caliente
Hot water
64
ARU
BL
CP
ES
UPS
VFD
Agua de reutilización
Reuse water
ELÉCTRICO/ELECTRICAL
Baliza
Baliza
Panel de Control
Control Panel
Paro de emergencia
Emergency Stop
Sistema de alimentación
ininterrumpida
Uninterruptable Power Supply
Variador de Frecuencia
Variable Frequency Drive
Fuente: Autor, basado en documentación suministrada por el departamento de automatización.
Ilustración 4-1 Formato para la codificación de los equipos.
Fuente: Autor, basado en documentación suministrada por el departamento de automatización.
Tabla 4-2 Reglas para el etiquetado de los equipos.
Conjunto
1
2
Tipo
Descripción
Código de equipamiento. Identificación del tipo de
Alfanumérico
equipamiento (tabla 4.1)
Alfanumérico Código de área. Identificación del área de proyecto.
3
Numérico
Número secuencial primario único al equipamiento
asociado. Usar 00 para equipamiento base
4
Numérico
Número secuencial secundario único. Usar 00 para
equipamiento base
5
Letra
Equipos redundantes. No se muestra cuando el equipo es
único.
Fuente: Autor, basado en documentación suministrada por el departamento de automatización.
65
De acuerdo con las reglas de la tabla 4.2 y el formato de la ilustración 4.1.,
se define el área de recirculación y extracción de calor bajo el código numérico “10”
y el área de envasado con el código numérico “20”. Así pues, queda clasificado las
áreas del proyecto del conjunto 2 (tabla 4.2).
Una vez establecido el código que identifica a las áreas del proyecto, a
continuación, se codifican los equipos involucrados, quedando de la siguiente
manera:
Tabla 4-3: Codificación de los actuadores para la automatización.
Actuadores
Sección de captación
Sección de almacenamiento y
enfriamiento
PC.10.01.01
PC.10.01.02
PC.10.02.01
PC.10.02.02
PC.10.06.01
Bombas TC
Bombas TAC
Bombas TAF
PC.10.06.02
MO.10.05.01
MO.10.04.01
Motor de TE2
Motor de TE1
Fuente: Autor.
Tabla 4-4: Codificación del equipamiento para la automatización.
Equipamientos
Sección de captación
Sección de almacenamiento y
enfriamiento
TK.10.01.00
Tanque de captación
TK.10.02.00
Tanque de agua caliente
TK.10.06.00
Tanque de agua fría
Fuente: Autor.
Tabla 4-5: Codificación de los transmisores para la automatización.
Transmisores
Sección de captación
Sección de almacenamiento y
enfriamiento
Fuente: Autor.
TT.10.01.01
LIT.10.01.01
TT.10.06.01
Temperatura
Nivel
Temperatura
LIT.10.06.01
LIT.10.02.01
TT.10.02.01
PT.10.06.01
Nivel
Nivel
Temperatura
Presión
66
Tabla 4-6: Codificación de los armarios para la automatización.
Armarios eléctricos
Sección de captación
Sección de almacenamiento y
enfriamiento
Área de envasado
CP.20.01.00
CP.10.01.01
CP.10.01.02
Armario secundario
Armario principal
Armario de envasado
Fuente: Autor.
Tabla 4-7: Codificación de la baliza para la automatización.
Baliza
Área de envasado
BL.20.01.01
BL.20.01.02
BL.20.01.03
Luz de señalización roja
Luz de señalización verde
Luz de señalización
Amarilla
Fuente: Autor.
4.1.7.2
Conexión de señales en módulos PLC.
El siguiente paso en la programación y montaje del PLC es el cableado de este.
Esta parte del proceso es bastante delicada, ya que un error en el cableado puede
causar una avería importante en el PLC, dañar instrumentos o activar una salida
equivocada. Debido a esto, es importante mantener una relación entre las
conexiones físicas y el espacio de memoria que se le asigna al punto de conexión
en el programa.
Es necesario para el personal técnico que reúne las señales de campo y las
centraliza en el armario, que conozca el equipo que está asociado el punto de
conexión físico en el módulo, para que pueda realizar la conexión del cableado
correspondiente y evitar errores en la puesta en marcha del sistema, o peor aún que
se activen señales que no concuerdan con la lógica programada.
Para esto, se elabora una lista con la codificación de cada equipo en el proceso
y a este se le asigna una dirección de memoria asociada en el programa. Esto
establece un correcto acoplamiento entre la conexión de hardware y software, por
lo que mitiga los errores producidos entre programa y cableado.
67
Esta lista se muestra de la tabla 4.8 a la 4.10. Allí se establecen las condiciones
para identificar los equipos más rápido dentro del programa y en las áreas de
proceso, y guía al personal técnico para el montaje de las conexiones eléctricas en
los armarios.
68
Tabla 4-8 Lista de las entradas analógicas del PLC asignadas a la instrumentación.
Equipamiento
TK.10.01.00
TK.10.02.00
TK.10.06.00
spare
Tipo Objeto
Transmisor de
Temperatura
Transmisor de
Nivel
Transmisor de
Nivel
Transmisor de
Temperatura
Transmisor de
Nivel
Transmisor de
Temperatura
Transmisor de
Presión
spare
Tag objeto
Canal
dirección
Slot
descripción
Temperatura de Tanque de
captación
Nivel de tanque captación de
entrada
TT.10.01.01
0
IW192
3
LIT.10.01.01
1
IW194
3
LIT.10.02.01
2
IW196
3
Nivel de tanque agua caliente
TT.10.02.01
3
IW198
3
Temperatura de tanque agua
caliente
LIT.10.06.01
0
IW128
4
Nivel de tanque agua fría
TT.10.06.01
1
IW130
4
Temperatura de tanque agua fría
PT.10.06.01
2
IW132
4
spare
3
IW134
4
Presión envío hacia
pasteurizadores
spare
Fuente: Autor.
Tabla 4-9 Lista de salidas analógicas del PLC asignadas a los equipos.
Equipamiento
Tipo Objeto
Tag objeto
Canal
dirección
Slot
Bomba
PC.10.01.01
0
QW192
3
Bomba
PC.10.01.02
1
QW194
3
Bomba
PC.10.06.01
0
QW128
4
Bomba
PC.10.06.02
1
QW130
4
TK.10.01.00
TK.10.06.00
Fuente: Autor.
Descripción
Control PID 0-10 V entrada 53
VFD
Control PID 0-10 V entrada 53
VFD
Control PID 0-10 V entrada 53
VFD
Control PID 0-10 V entrada 53
VFD
Variador
VFD.10.01.01
VFD.10.01.02
VFD.10.06.01
VFD.10.06.02
69
Tabla 4-10 Lista de las entradas y salidas digitales del PLC asignadas a los equipos.
Equipamiento
Tipo Objeto
Tag objeto
#
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
dirección
Q0.0
I0.0
Q0.1
I0.1
Q0.2
I0.2
Q0.3
I0.3
Q0.4
I0.4
Q0.5
I0.5
Q0.6
I0.6
Q0.7
I0.7
Slot
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Descripción
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Arranque
Confirmación/Disparo
Bomba
PC.10.01.01
Bomba
PC.10.01.02
Bomba
PC.10.06.01
Bomba
PC.10.06.02
Bomba
PC.10.02.01
Bomba
PC.10.02.02
CT.10.04.00
Motor
MO.10.04.01
CT.10.05.00
Motor
MO.10.05.01
ES.10.01.01
1
I1.0
1
Paro de Emergencia
UPS.10.01.01
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
7
I1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
I8.0
I8.1
I8.2
I8.3
I8.4
I8.5
I8.6
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
UPS en funcionamiento
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
TK.10.01.00
TK.10.06.00
TK.10.02.00
CP.10.01.00
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
Hongo de
Emergencia
UPS
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
Variador
VFD.10.01.01
VFD.10.01.02
VFD.10.06.01
VFD.10.06.02
70
8
1
I8.7
Q1.0
2
1
2
Q1.1
1
BL.20.01.03
1
Q8.0
2
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
2
3
4
5
6
7
8
Q8.1
Q8.2
Q8.3
Q8.4
Q8.5
Q8.6
Q8.7
2
2
2
2
2
2
2
spare
spare
Baliza
spare
BL.20.01.01
CP.20.01.00
Baliza
BL.20.01.02
Baliza
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
Luz de señalización roja
luz de señalización
verde
luz de señalización
Amarilla
spare
spare
spare
spare
spare
spare
spare
Fuente: Autor.
El equipamiento ubica la posición del instrumento; el tipo de objeto define el tipo de actuador o dispositivo; el tag de
objeto representa la codificación técnica generada a partir de las especificación de la sección 4.1.7.1; el canal especifica
la conexión en el borne del módulo del PLC; la dirección especifica el lugar de memoria que ocupa en el programa; el slot
ubica el lugar que ocupa el módulo de entrada/salida para la conexión al punto de conexión (borne) en el rack; la descripción
es la leyenda que ayuda a comprender su función y, por último, el variador, este se refiere al variador de frecuencia al que
está asociada la señal que lo activa y lo controlada.
71
4.1.8 Tipo de investigación
El tipo de investigación, según su finalidad, es “aplicada”. Debido a que su
objetivo “es la solución de problemas prácticos para transformar las condiciones de
un hecho que nos preocupa. El propósito fundamental no es aportar al conocimiento
teórico” (Barrantes, 2000, p. 64). Enfocando la definición anterior a este proyecto, la
solución del problema es la automatización del sistema con la integración de
instrumentos de control, medición y monitoreo modernos, mientras que el problema
práctico corresponde al control actual con el que se determina la activación de los
actuadores y, por último, el hecho que preocupa es la carencia lógica de control
cableada, el monitoreo y las conexiones de comunicación remota y con el SCADA.
4.1.9 Instrumentos de recolección de datos
Sabino (2014) define un instrumento de recolección de datos como: “es, en
principio, cualquier recurso de que se vale el investigador para acercarse a los
fenómenos y extraer de ellos información” ( p. 157). Se utilizaron instrumentos que
fueron importantes para tomar decisiones en el marco técnico del proyecto en el
que se valió de los de recursos de recolección de datos que se tenían para el
entendimiento y ejecución de la solución propuesta. Algunas de los instrumentos
fueron los siguientes:
4.1.9.1
Observaciones.
Siguiendo a Sabino (2014), la recolección de datos mediante la observación
consiste en el uso sistemático de nuestros sentidos orientados a la captación de la
realidad que queremos estudiar, que luego se organiza intelectualmente.
Enfocándolo a este proyecto, la realidad que se quiere estudiar es el control con
lógica cableada con el que opera el sistema actual, haciendo un levantamiento de
todos los planos eléctricos existentes, y de los diagramas de Tuberías e
Instrumentación (P&ID, por sus siglas en inglés), para el reconocimiento y
compresión del funcionamiento del sistema para poder intervenirlo.
4.1.9.2
Entrevistas no estructuradas.
Durante la recopilación de información, fue necesario utilizar entrevistas no
estructuradas con proveedores de productos, personal técnico del área de
72
embotellado, ingenieros y gerentes de departamentos de mantenimiento y
producción. Sabino (2014) se refiere a las entrevistas no estructuradas como
aquellos que “no se guían por lo tanto por un cuestionario o modelo rígido, sino que
discurren con cierto grado de espontaneidad” (p. 172). Por tanto, los datos que se
recopilan se van dando de acuerdo al avance del proyecto, en las distintas etapas
donde surgen preguntas de carácter espontaneo.
4.1.10 Sujetos.
Barrantes (2000) explica que los sujetos “son todas aquellas personas físicas o
corporativas que brindan información” (p. 92).
Para el proyecto, los principales sujetos de información fueron el personal del
departamento de ingeniería de mantenimiento de la planta, operadores de las líneas
de los pasteurizadores, técnicos electricistas, departamento de tecnología de
información y mecánicos del área de mantenimiento. Otros sujetos de información
lo componen proveedores, quienes brindaron datos y cotizaciones para el análisis
técnico y económico de la operabilidad del sistema; empresas externas contratadas
por outsourcing, que asistieron al montaje eléctrico del armario eléctrico de control.
4.1.11 Contexto de la investigación.
El proyecto desarrollado en este Trabajo Final de Graduación se sitúa en un
ámbito interdisciplinario, donde confluyen la experiencia desarrollada de una
educación dual en la ingeniería mecatrónica, para la ejecución de un proyecto que
porta importancia para la embotelladora. La sinergia de esta rama de la ingeniería
que Bolton (2002) define como un “término empleado para describir la integración
de sistemas de control basados en microprocesadores, sistemas eléctricos y
sistema mecánicos” (p. 1).
Esta ha posibilitado, en el marco de este proyecto, la elaboración, validación y
ejecución de un nuevo control automatizado para la recirculación del agua y
extracción de calor en tres pasteurizadores de la embotelladora. Este proyecto se
73
caracteriza por su complejidad e importancia para el proceso de pasteurización de
las bebidas, ya que, además de que precise de herramientas y técnicas de control
avanzado para el diseño, desarrollo y validación de la puesta en marcha. También
presta atención a los indicadores de consumo de agua, ya que los tres
pasteurizadores representan el mayor gasto en recurso hídrico para la planta.
La perspectiva que tiene el sistema de recirculación y extracción de calor a
nivel de la compañía, es reducir el consumo de agua. El producto se necesita
pasteurizar y se precisa que el proceso que lo realiza sea óptimo, en términos de
consumo.
Debido a su importancia de la ejecución de este proyecto y del impacto que tiene
para la empresa, se implementarán acciones preventivas en la lógica de control
para evitar pérdidas de agua.
4.1.12 Fuentes de información.
Las fuentes de información consisten, según Sampieri, Collado y Lucio (2003),
en consultar y obtener referencias útiles para desarrollar el propósito de la
investigación.
Las fuentes de información se clasifican en primarias y secundarias. Las
primarias son aquellas que no están publicadas o recogidas de forma que pueden
servir de ayuda directamente para la toma de decisiones, y las secundarias aquellas
que están recogidas o elaboradas y disponibles para ser consultadas (Párraga
García, Carreño Sandoval, Nieto Salinas, López Yepes, y Madrid Garre, 2004).
De acuerdo con lo anterior, algunas fuentes que fueron importantes en la
toma de decisiones son las siguientes:
4.1.12.1 Fuentes primarias.
Las fuentes de información primarias las constituye los sujetos de
información, además de libros y manuales de operación de los equipos.
74
4.1.12.2 Fuentes secundarias.
Las fuentes secundarias fueron textos reelaborados o sintetizados a partir de
una fuente primaria, como por ejemplo, documentos elaborados por ingenieros del
departamento, páginas de Internet, entre otros.
4.1.13 Cuadro de variables
Barrantes (2000) explica que una variable en investigación se puede decir
que es: “cualquier hecho, característica o fenómeno que varía, que toma
diferentes valores” (p. 92). Así que, para cumplir con los objetivos propuestos
en el proyecto, se establecieron cuatro variables, las cuales se detallan en la
siguiente tabla.
75
Tabla 4-11 Variables de investigación
Objetivos específicos
Variable
Definición
Conceptual
Operacional
Instrumental
Malo: Se desconoce por
Reconocer el funcionamiento
funcionamiento del
Modo de operación de
del sistema de recirculación de sistema de
un conjunto de equipos
agua y extracción de calor de
recirculación y
para recuperar el agua
agua con las que cuenta
extracción de calor
de un proceso, quitarle
actualmente la embotelladora.
de agua.
calor y volverla a utilizar.
completo cómo funciona el
sistema.
Bueno: se logra describir la
función del sistema.
Muy bueno: Se comprende el
funcionamiento y los elementos
Diagrama de
instrumentación
y tubería (P&ID)
y planos
eléctricos.
que conforman el sistema
Dispositivos que capta
Determinar los requerimientos
de instrumentación para el
nuevo sistema de control.
la variable en proceso y
Instrumentación
la transmite en una
señal eléctrica a
distancia al controlador.
Funcional: De acuerdo con el
análisis de la hoja de datos, el
Hoja de datos
componente cumple con los
del fabricante
requerimientos.
76
Desarrollar la
Funcional: de acuerdo con la
programación del nuevo
Programación de
revisión de los elementos a
controlador lógico
Controlador Lógico Instrucciones programadas
comprobar el programa ejecuta
programable e interfaz
Programable e
para controlar el
el 100 % de las tareas.
Humano-Máquina que
interfaz Humano-
funcionamiento del proceso.
No funcional: debido a su
integren todos los
Máquina
Matriz de
evaluación.
comportamiento el programa no
parámetros necesarios
cumple.
Realizar una
Funcional: de acuerdo con el
reestructuración de los
Espacio donde se
análisis de las características de
armarios eléctricos
concentran los dispositivos
operación del sistema, el armario
existente para el nuevo
Armario eléctrico
de conexión, control,
cumple el 100 % de los
Matriz de
control de los equipos que
de control.
maniobra, protección,
requerimientos.
evaluación.
intervienen en el sistema
medida, señalización y
No funcional: se debe buscar
de recirculación de agua y
distribución.
dispositivos que cumplan con los
requerimientos de operación.
extracción de calor.
Fuente: Autor.
Capítulo 5| Desarrollo de la
solución.
78
En este capítulo, se exponen los detalles de la automatización y presenta la
información correspondiente al desarrollo de la solución propuesta para el problema
planteado. Se presentan también las descripciones del procedimiento del software
utilizado y del hardware que se ha implementado para la solución del proyecto. Para
el sistema actual, se requiere dar solución a la falta de monitoreo y un control basado
en una lógica control de relé cableada.
5.1 Entorno del proyecto
El lugar en donde se desarrollará el proyecto está dividido en tres áreas y estas,
a su vez, en varias subsecciones.
1. La primera área comprende toda la zona de recirculación y extracción de
calor y esta se encuentra dividida en dos secciones adyacentes: una
sección de captación y otra de almacenamiento y enfriamiento.
2. La segunda es el área de envasado y está dividida en múltiples
secciones, pero, para efectos de este proyecto, se hará hincapié en tres
secciones,
que
precisamente
consisten
en
cada
uno
de
los
pasteurizadores involucrados en el proceso de recuperación de agua
post pasteurizado.
3. La tercera es del cuarto de operaciones, donde está el personal que
supervisa el sistema SCADA de la planta.
Las secciones anteriormente descritas se pueden ver gráficamente en
siguiente diagrama (ilustración 5.1).
Ilustración 5-1: Entorno del proyecto para la automatización del sistema de
recirculación de agua y extracción de calor.
Área recirculación y
extracción de calor
Sección de
captación
Área de envasado
Cuarto de
operaciones
Agua recirculando
P1
SCADA
Agua
recirculando
Sección de
almacenamiento
y enfriamiento
79
P3
Agua recirculando
P4
Red Profinet
Sistema de recirculación de agua y extracción de calor.
Fuente: Autor.
5.2 Condiciones iniciales de funcionamiento.
Según el reconocimiento de control realizado en los armarios, cada uno tiene los
dispositivos de control necesarios para gobernar el accionamiento de torres de
enfriamiento y bombas. En la ilustración 5.2, se puede ver cómo están acomodados
los armarios según los equipos que encierra en su control.
80
Ilustración 5-2: Distribución de control en los armarios según la lógica
de control de relé cableada.
A1
A2
Bomba
TAC 3.
Bomba
TAC 4.
Bomba
TAF 5.
Bomba
TAF 6.
Torre 1.
Torre 2.
A4
A5
Estado de
la señal de
nivel TACTAF. (LP)
Bomba 1.
A3
VFD 2.
Señal de
presión.
Bomba 2.
VFD 3.
VFD 4.
VFD 1.
Sección almacenamiento y enfriamiento
Señal de
Nivel TC.
(LP)
Sección de captación
Fuente: Autor.
Se le ha llamado a cada una de bombas con una secuencia en numeración del
1 al 6, ya que así fue como se encontraron etiquetadas. Por otro lado, para mejorar
la compresión de la lectura de aquí en adelante, se le nombrará a cada armario una
secuencia que va desde A1 hasta A5, debido a la carencia de etiquetado.
5.2.1 Descripción del sistema a automatizar.
A continuación, se describe cómo se encontró el sistema en hardware como
software.
5.2.1.1
Hardware.
El sistema de recirculación y extracción de calor cuenta con un sistema de
control equipado con cinco armarios eléctricos (ilustración 5.3) y, dentro de ellos,
una lógica de control con relés cableados para poder manejar la activación de
bombas y torres de enfriamiento. Al ser varios armarios los que controlan el proceso
el espacio que ocupan es mucho mayor, por lo que la dificultad en la búsqueda de
81
reparación de averías es mayor, y a esto se le suma que todos ellos no tienen los
diagramas eléctricos actualizados.
Ilustración 5-3: Armarios que componen el sistema de recirculación de
agua y extracción de calor
Armario A5 de la sección de captación a la izquierda, Armario A1…A4 de la sección de
recirculación y enfriamiento a la derecha
Fuente: Cortesía de la embotelladora
En su forma más general, todo automatismo se componen de elementos o
bloques estructurales, por lo que para describir cómo está diseñado el automatismo
actual del sistema se podría dividir en los siguiente bloques según Nardelli (2001):
•
Bloque de accionadores: compuestos por ocho motores eléctricos dos de ellos
para las torres de enfriamiento y seis de ellos para las bombas centrifugas del
tanque de almacenamiento. Estos constituyen la parte operativa del proceso.
•
Bloque de comando: manejado por dispositivos de maniobra formado por
contactores, interruptores termomagnéticos, variadores de frecuencia, relés,
temporizadores y seccionadores. Estos son los encargados de desconectar
físicamente el bloque de accionadores de la fuente de energía.
•
Bloque de detección: formado por seis sensores de nivel discretos de tipo boya,
dos por cada tanque (alto y bajo). Además, cuenta con un trasmisor de presión
82
4-20mA conectado a la tubería. se encargan de recoger la información del
estado del equipo que lo contiene.
•
Los sensores de tipo boya cuentan con dos estados, alto y bajo, las
señales son llevadas a bobinas de relés que lo interpretan, y lo traduce
en el accionar de las bombas.
•
El transmisor de presión 4-20 mA, se encuentra conectado a una entrada
analógica del VFD en las bombas de envió a los pasteurizadores, de
manera proporcional. Sin embargo, debido a un mal escalamiento de la
señal las bombas no regulan la velocidad y siempre arrancan en su
máxima capacidad sin variaciones en la velocidad. Y por ende sin
adaptaciones a la demanda.
•
Bloque de mando: conformado por elementos auxiliares: selectores, luces
piloto, botoneras y una baliza como monitoreo remoto, a través de los cuales el
operario se comunica con el sistema, controla y vigila el proceso (ilustración 5.5
e ilustración 5.6).
•
Bloque de tratamiento: está directamente relacionado al bloque de detección
que interpreta la información del estado de nivel de los tanques de manera
discreta (alto o bajo) y la combina con la suministrada por el operario a través
del bloque de mando y toman decisiones relacionadas con la próxima acción
que debe efectuar el sistema a través del bloque de comando.
De acuerdo con el bloque de tratamiento, el procesamiento lógico de las
variables de proceso está basado en técnicas de control cableado con relés
(ilustración 5.4). Esta técnica de control produce rigidez para diagnósticos y muy
poca flexibilidad en operación y para ampliaciones.
83
Ilustración 5-4: Lógica de control con relés cableado
Armario A5 a la izquierda, Armario A1 al centro y armario A2 a la derecha.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
En la página 179 del anexo 1 y en la página 180 del anexo 2 aparece el
diagrama de flujo del control en modo automático y manual. Realizado para mejorar
la comprensión de cómo interactúan los bloques anteriormente descritos.
84
Ilustración 5-5: Secciones para el bloque de mando disponible
para el control y monitoreo
Armario A5 a la izquierda, Armario A1 al centro y armario A4 a la derecha
El monitoreo local del sistema se da por medio de luces piloto que indican si
una bomba esta activa, inactiva o disparada (ilustración 5.5), entiéndase disparada,
como la acción de inhabilitación del elemento en control, por motivo de la activación
de un dispositivo de protección.
En el caso del monitoreo y el control remoto en el área de envasado, los
operadores se comunican a través de una baliza o torre luminosa (ilustración 5.6)
que informan del estado de las bombas en tres colores que indican lo siguiente:
•
Verde: bombas TAF encendidas.
•
Amarillo: nivel bajo en TAF.
•
Rojo: bombas TAF apagadas.
Para el control remoto, únicamente es posible controlar las bombas del TAF con
dos manetas, una que selecciona si la operación se hace en forma manual o
automática y la otra para saber cuál de las dos bombas se mantiene activada
(ilustración 5.6).
85
Ilustración 5-6: Baliza o torre luminosa con los tres colores que indican el estado del sistema
recirculación en el área de envasado.
Control
Monitoreo
Fuente: Cortesía de la embotelladora
Tener un control remoto basado en estas condiciones dificulta seriamente que
los operadores puedan evitar pérdidas de agua y paros de las líneas de
pasteurizado por falta de agua. Asimismo, se ha observado a través del
reconocimiento del proyecto que la confiabilidad en el sistema, por parte de los
operadores es muy baja, debido a la mala interpretación y a la redundancia en
manetas de control, ya que se encuentra una segunda caja de control como el de
la ilustración 5.6 a la par de a otro de los pasteurizadores.
Esto significa tener que comunicarse con el operador del otro pasteurizador,
para que no se produzcan discordancias en el control. Por tanto, el monitoreo, así
como el control genera condiciones de trabajo muy limitadas tanto a nivel local como
remoto.
86
5.2.1.2
Software:
Al tener una lógica con relés cableados, no se tienen elementos que requieran
de software, haciendo que el sistema sea poco flexible a cambios en su misma
lógica de control, ya que todo se hace a través del hardware.
5.3 Análisis de solución y selección final
5.3.1 Requerimientos del proyecto.
5.3.1.1
Requerimientos funcionales
1-
Se debe utilizar un PLC S7-1200 como controlador del sistema.
2-
El sistema debe contar con un monitoreo mediante una interfaz gráfica de
manera local y remota.
3-
Se debe emplear 24 VDC en los circuitos de maniobra y control.
4-
Debe existir comunicación del controlador con la red ETHERNET de la
planta.
5-
Las bombas del Tanque de Captación deben trabajar con un control por
lazo cerrado mediante la medición de nivel.
6-
Las bombas del Tanque de Agua Fría deben trabajar con un control por
lazo cerrado mediante la medición de presión en la tubería.
7-
La instrumentación debe ser analógica normalizada a 4-20 mA.
8-
El sistema debe enviar toda el agua que recibe de los pasteurizadores a
la menor temperatura posible y a una presión constante.
5.3.1.2
Requerimientos económicos.
Para la automatización, se cuenta con 80.000 USD disponibles. Monto
dirigido a las actualizaciones y modernizaciones del sistema de recirculación de
agua y extracción calor.
87
5.3.2 Valoración de las propuestas.
A continuación, se describen brevemente las dos propuestas planteadas al
inicio del proyecto, ambas a nivel conceptual pensadas con los ingenieros del
departamento de automatización y mantenimiento.
5.3.2.1
Propuesta solución 1:
Ilustración 5-7 Concepto de la configuración de armarios eléctricos
para el nuevo control y monitoreo para la propuesta 1
CP.10.01.00
CP.10.02.00 CP.10.03.00 CP.10.04.00
Bomba
TAC 3.
Bomba
TAC 4.
Bomba
TAF 5.
Bomba
TAF 6.
Torre 1.
Torre 2.
VFD 2.
Señal de
presión.
Estado de
la señal de
nivel TACTAF. (LP)
CP.10.05.00
CP.10.06.00
Bomba 1.
HMI
remota
Bomba 2.
VFD 3.
VFD 4.
HMI
Local
VFD 1.
Sección almacenamiento y enfriamiento
Señal de
Nivel TC.
(LP)
Área de envasado.
Sección de captación
Fuente: Autor.
Esta propuesta de solución fue planteada en la primera reunión con el ingeniero
a cargo, donde se pensaba en la opción de integrar el controlador S7-1200 y la HMI
TP700 Comfort en el armario eléctrico A3, instalar la nueva instrumentación de
campo y llevarlas a este mismo panel. De esta manera, mediante algunas
modificaciones en el cableado de los equipos, se podrían continuar usando todos
los componentes de maniobra y control, sistemas de alimentación y protecciones
en los mismos armarios eléctricos. Agregando únicamente el gabinete que contiene
88
la HMI remota en el área de envasado. Una vez instalado el autómata y la HMI, se
realizaría el levantamiento de los planos eléctricos y etiquetado de todos los
armarios involucrados para el control.
5.3.2.2
Propuesta solución 2:
Ilustración 5-8: Concepto de la configuración de armarios eléctricos
para el nuevo control y monitoreo para la propuesta 2.
CP.10.01.00
CPU.
CP.10.02.00
VFDs
SM.
CP.20.02.00
HMI
remota
VFDs
Área de envasado.
HMI
Local
Sección almacenamiento y enfriamiento
Sección de captación
Fuente: Autor.
La ilustración anterior muestra el concepto para reestructuración de los
armarios y su funcionamiento. Por lo que, para la solución número dos, se plantea
la opción de la eliminación de los armarios eléctricos del A1 al A4 y para el armario
A5 modificar el cableado existente, para que pueda ser tratado con las señales
provenientes del PLC. Esto plantea instalar un nuevo armario eléctrico que unificaría
los tableros de la sección de almacenamiento y enfriamiento y en él se colocaría la
HMI local y el controlador S7-1200, las señales de los instrumentos de campo, más
todos los dispositivos de maniobra y control, protecciones y sistemas de
alimentación para la automatización.
89
Además, se plantea que todos aquellos equipos como los de protección,
maniobra y control, y los equipos de alimentación de los armarios que se van a
eliminar y que se puedan adaptar a la nueva lógica de control, sean reutilizados
para bajar los costos de la automatización.
5.3.3 Selección de la propuesta.
La propuesta seleccionada para el desarrollo fue la número 2. Después de
haber revisado los equipos de maniobra y control existentes en los armarios, se
determina que los voltajes de control de las bobinas de los contactores son
manejados a una tensión de 120 V AC. Por lo que la opción de la propuesta 1, como
la opción de continuar usando los equipos y armarios existentes, queda anulada, ya
que el control de contactores tiene que ser manejado a una tensión de 24 VDC como
requerimiento para el nuevo control.
Esto replantea una inclinación mayor hacia la propuesta 2, ya que se llega a la
decisión con los ingenieros del departamento de que resulta más favorable hacer
un cambio radical en la restructuración de los armarios, y la propuesta dos es la que
más se ajusta a este requerimiento para la embotelladora. Si bien es cierto que se
haría una inversión mayor para la propuesta dos, esta permitiría eliminar grandes
problemas futuros en cableado y evitar tener más armarios de la cuenta. Además,
se ganaría tener un lugar más organizado y de mayor confiabilidad en monitoreo y
control, al empezar desde cero con un nuevo concepto en la automatización del
sistema y en el conjunto de armarios que lo componen, en los planos eléctricos y
en el etiquetado.
5.3.4 Desarrollo de la propuesta.
La ilustración 5.9 muestra el diagrama general de bloques del sistema que
controla el proceso de recirculación de agua y enfriamiento para la automatización
planteada que considera: un sistema SCADA que supervisa las señales
90
provenientes del sistema y las muestra en el cuarto de operaciones de la planta,
dos HMI una a nivel local y otra remota para los operadores de la planta, un PLC
que analiza e interpreta las señales que recibe del estado del proceso a través de
los transmisores, para que las bombas y motores ejecuten sus tareas.
Ilustración 5-9 Diagramada bloques generales del sistema que controla el
proceso de recirculación y extracción de calor
Armario principal
SCADA
HMI
local
PROFINET
PROFINET
PLC
I/O
Transmisores
HMI
remota
P1
P3
Bombas
Torres de
enfriamiento
P4
Envasado
Proceso
Fuente: Autor.
El desarrollo de la propuesta planteada para la automatización se divide en siete
secciones principales para una mejor explicación:
•
Actualización de diagramas.
•
Selección de la instrumentación.
•
Interfaz gráfica y algoritmo de control.
•
Armarios eléctricos.
•
Sección de control.
91
•
Enlace de comunicación Profinet.
•
Interfaz del sistema SCADA.
5.3.4.1
Actualización de diagramas.
Para iniciar con las modificaciones del sistema, primeramente, se hace un
levantamiento de los diagramas existentes siguiendo la metodología de la sección
4.1.1. Una vez definidos los requerimientos funcionales y económicos, se realiza la
actualización de los diagramas P&ID (diagramas de instrumentación y tubería) con
el uso del software Visio de Microsoft. Todos los equipos e instrumentos que
intervienen en la nueva automatización se han codificado e identificado bajo la
metodología de la sección 4.1.7.1.
El diagrama se ha realizado teniendo en cuenta las reglas de la norma ISAS5.4. Dicho diagrama no se revela en este Trabajo Final de Graduación por políticas
de confidencialidad de la compañía.
5.3.4.2
Selección de la instrumentación.
Una vez actualizado y posicionado cada equipo e instrumento en el diagrama
P&ID y la función que cumplirá dentro del proceso, se procede a buscar la
instrumentación para la medición de líquidos, temperatura y presión. Para el caso
de este último, ya se encontraba instalado, como se explicó en la sección de
hardware 5.2.1.1, por lo tanto, no se requiere instalar uno nuevo.
Es necesario tener en cuenta que, como requerimiento funcional, los
transmisores deben tener la capacidad de acoplar la variable de proceso a una señal
4-20 mA para la medición de temperatura, nivel y presión. Además que los
instrumentos tengan comunicación a través del protocolo HART.
Debido a que en el LMI (Laboratorio de Metrología e Instrumentación), se
encuentran algunos instrumentos en desuso especiales para la medición de líquidos
y temperatura, se reutilizarán los modelos que mejor se adapten a las condiciones
92
de trabajo, según los criterios tanto del personal del laboratorio como de las hojas
de datos del fabricante:
A. Transmisor Levelflex FMP54 para medición de nivel en TC.
Este transmisor utiliza la tecnología de medición por radar de onda guiada a
través de una sonda metálica. Para realizar el montaje del sensor, se tuvieron que
seguir los requerimientos de montaje establecidos por el fabricante (en la página
183 del anexo 5), donde se observan las distancias que hubo que respetar, al ser
un tanque metálico y una sonda con varilla. Se tuvo que soldar un espaciador para
cubrir los 30 cm de diferencia en altura entre la sonda y el fondo del tanque. En la
ilustración 5.10, se muestra el detalle de cómo quedó montado el sensor y el
transmisor.
Ilustración 5-10:Montaje del sensor Levelflex FMP54
Sensor
Transmisor
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
93
B. Transmisor SITRANS Probe LR para medición de nivel en TAC y TAF.
Dentro de las especificaciones técnicas de este sensor, indica que es apropiado
para la monitorización continua de líquidos en depósitos de almacenamiento sin
presión en condiciones ambientales normales. Cuentan con una distancia de
medición desde los 0.3 m a los 20 m y al contar con un tanque de 3 m de alto, lo
hace apropiado para las condiciones del proceso. En la ilustración 5.11 se puede
ver cómo quedó instalado el transmisor en tanque de agua fría, replicando el mismo
montaje y transmisor para el tanque agua caliente. Para este montaje, se siguieron
las recomendaciones del fabricante respetando el ángulo que proyecta de 20° a lo
largo del tanque y que no haya ningún obstáculo que produzca un falso eco. En el
anexo 6, en la página 184, se muestran las indicaciones de montaje generales.
Ilustración 5-11: Montaje del transmisor de nivel SITRANS Probe Lr en tanque de agua Fría.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
94
C. Transmisor de temperatura M-TR10 para medición de temperatura en TC
Al ser un instrumento que únicamente monitorea, pero no controla. Una de las
condiciones importantes de selección se basó en la temperatura máxima de trabajo
que puede alcanzar el tanque de captación, siendo de hasta 60 °C. Para realizarlo,
fue necesario soldar directamente el termopozo, donde se coloca el sensor. La
ilustración 5.12 muestra cómo quedó montado el transmisor.
Ilustración 5-12: Montaje de transmisor M-TR10 en tanque de captación
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
D. Transmisor de temperatura Sitrans TS500 para medición de temperatura en
TAF y TAC.
Las condiciones de montaje y selección para este transmisor son las mismas
para la medición de temperatura para el tanque de agua caliente y agua fría. Solo
que, para el caso del tanque de agua caliente, este sí tiene funciones de control que
determinan la activación de las torres de enfriamiento si la temperatura desciende
los 38°C. En la ilustración 5.13, se puede ver cómo quedó instalado el transmisor
95
en la parte inferior del tanque de agua fría, replicando el mismo montaje y transmisor
para el tanque agua caliente.
Ilustración 5-13: Montaje de transmisor SITRANS TS500 en tanque de agua fría.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
Gracias a la acción de reutilizar la instrumentación anteriormente mencionada,
se llega a reutilizar un 67 % de toda la instrumentación requerida para las variables
de temperatura, presión y nivel. El otro 33 % queda en la compra de tres
transmisores y dos sensores PT-100 que no funcionaban dentro de lo equipos
reutilizados.
En la sección de Análisis económico, en la tabla 6.10 se encuentra la
instrumentación reutilizada con el costo de cada equipo. Esto representó un costo
importante ahorrado al valor total del proyecto.
El escalamiento de los transmisores, según el lazo de corriente 4 - 20 mA para
los rangos del proceso configurados, se muestran en la tabla 5.1.
Tabla 5-1: Escalamiento de los transmisores según los valores de proceso.
Rango Presión Temperatura Nivel
4 mA
0 bar
0°C
0%
100
20 mA 6 bar
100 °C
%
Fuente: Autor.
96
5.3.4.3
Algoritmo de control + interfaz de gráfica.
Para llevar a cabo el algoritmo y la interfaz gráfica, ha sido necesario tener
los siguientes elementes que se describen en la tabla 5.2.
Tabla 5-2: Versión de software y hardware utilizados para la automatización.
Equipo
PLC
HMI Local
HMI Remota
Software
Descripción abreviada
CPU S7-1200/1214C AC/DC/RLY
TP700 Comfort
TP700 Comfort
Siemens TIA Portal
versión
Firmware 3.0
14.0.1.0
14.0.1.0
V14
Fuente: Autor.
A continuación, se explican ambas secciones:
A. Sección de algoritmo.
Este apartado explica cómo está compuesto con el código que va a controlar
todo el proceso de recirculación de agua y extracción de calor, así como sus
respectivas funciones más importantes. El código se llevó a cabo utilizando el
software TIA portal con la siguiente licencia.
•
SIMATIC STEP 7 Professional en TIA Portal V14.
a. Software programador.
Como se explicó en un apartado anterior, el software utilizado para
desarrollar la programación del controlador es TIA Portal V14 de Siemens. Este
desarrollador de código cuenta con varias maneras de programación, pero la
utilizada en el proyecto es la más comúnmente usada en la automatización
industrial, la programación Ladder (escalera) o KOP como aparece en software.
TIA Portal permite configurar las conexiones red entre los dispositivos de
hardware que componen la arquitectura de la automatización. Desde este
97
programa, se pueden variar los valores de las entradas de los módulos, para así
simular y observar el comportamiento desde nuestro computador.
b. Bloques de ejecución.
En la ilustración 5.14, se muestra el árbol del proyecto con bloques de función
(FC) para un mejor manejo de las variables de entradas y de salidas conectadas al
PLC, así como el de las advertencias y alarmas.
Además, se han categorizado por carpetas los bloques que controlan cada
tanque. Esto permite que, en el momento de consultar la instrumentación y los
equipos de bombeo que se encuentran en él, se pueda navegar de forma más
rápida y ordenada a través del proyecto.
Ilustración 5-14: Árbol del proyecto.
Fuente: Autor.
98
c. Bloque Principal Main [OB1].
Esta parte es la que menos contiene de todo el código, es por la que siempre
va a iniciar el escaneo del software a la hora de correrla y consiste, simplemente,
en una función de “llamada” que lleva a ejecutar cada uno de los bloques del
programa. Se han divido en diferentes segmentos, con su respectivo cometario para
identificarlos rápidamente como se muestra en la ilustración 5.15.
Ilustración 5-15: Sección Main [OB1], llamada a la ejecución de los bloques
Fuente: Autor.
Los módulos analógicos leen valores entre 0 y 27648, esto quiere decir que,
para los valores de 10 V o 20 mA, el software interpreta este nivel eléctrico a un
valor que lo pueda entender que sería 27648, para valores de 0 V sería 0 y para
valores 4 mA es 5530.
A continuación, se explicará brevemente cómo se escalaron las señales tanto
de entrada como de salida analógicas.
99
d. Entradas analógicas.
Todas las señales de los sensores han sido escaladas a valores usando las
funciones NORM_X y SCALE_X.
La función NORM_X normaliza los valores entre 5530 (MIN) y 27648 (MAX)
de la variable de la entrada VALUE representándolo en una escala lineal en un valor
real entre 0 y 1 y que, al final, se deposita como número en coma flotante en la
salida OUT (ilustración 5.16).
Ilustración 5-16: Normalización de la señal
Fuente: Gútiez (2016)
La función SCALE_X da un valor proporcional entre 0 y 100 para el caso de
los sensores de nivel y temperatura y para el caso del de presión entre 0 y 6 bar.
(ilustración 5.17). Escala el valor de la entrada VALUE mapeándolo en un
determinado rango de valores. Al ejecutar la instrucción, el número en coma flotante
de la entrada VALUE se escala al rango de valores definido por los parámetros MIN
y MAX. El resultado de la escala es un número entero que se deposita en la salida
OUT.
100
Ilustración 5-17: Escalado de la señal
Fuente: Gútiez (2016).
En la ilustración 5.18 se puede observar cómo se utilizaron las funciones
anteriormente descritas. Al final del valor de salida de la función SCALE_X, se
colocó un bloque (LIMIT) que limita los valores de la señal utilizados dentro del
proyecto entre 0 y 100 para temperatura y nivel, y para el caso del de presión entre
0 y 6 para evitar valores fuera de rangos.
Ilustración 5-18: Configuración de las entradas analógicas.
Fuente: Autor.
101
e. Salidas analógicas.
Los módulos analógicos tienen la posibilidad de configurar el tipo de salida ya
sea de corriente (4-20mA) o tensión (0-10V). Para efetos del proyecto, se han
configurado las 4 salidas disponibles en el proyecto a rangos de control 0-10V. Por
tanto, se debe tener en cuenta el rango de escalamiento. En la ilustración 5.19, se
puede ver cómo fue configurada las 4 salidas de las señales que van hacia las
entradas del variador de frecuencia. El valor de salida está directamente relacionado
con el ajuste los valores Proporcionales, Integrales y Derivativos, que se
configuraron con el panel de sintonía que se explica en la sección 5.3.4.5, por lo
que en la medida en que este valor cambia, depende de la variable de proceso que
está controlando ya sea nivel o presión.
La función LIMIT que se muestra en la ilustración protege a la bomba para que
no opere a velocidades inferiores a un 40 % por defecto, ya que por debajo de este
valor no es eficiente manera encendida
Ilustración 5-19: Escaldo de la señal analógica
Fuente: Autor
102
f.
Entradas digitales.
A nivel de código, se ha creado un bloque de función lógico sin memoria (FC)
a las entradas del PLC que se han configurado en el proyecto (mostradas en el
capítulo 4 en tabla 4.10) se les ha asociado una marca como en la ilustración 5.20
(en ese caso para la confirmación/Disparo de la bomba PC.10.01.01), estas no
activan físicamente una salida, sino que es un dato que se encuentra almacenado
en la memoria y puede tomar los valores de 0 y 1. Por tanto, la marca que se le es
asociada a la entrada es la que se utiliza en el código para desencadenar los
elementos que controla. Esto ayuda a futuros técnicos e ingenieros a ubicar la
entrada en un solo punto dentro del código.
Ilustración 5-20: Configuración de las entradas digitales.
Fuente: Autor.
g. Salidas digitales.
Al igual que el método utilizado para las entradas, se ha creado un bloque de
función lógico sin memoria (FC) para poder asociar todos los elementos que afectan
a la salida en una sola marca y que estas, al final, accionen la salida digital en
cuestión (las salidas digitales del proyecto son mostradas en el capítulo 4 en tabla
4.10).
103
Como se menciona anteriormente y como se muestra en la ilustración 5.21,
se han acotado todos los elementos que afectan a la salida en dos marcas, una
para el modo manual y otra para el modo automático, estas marcas tienen una serie
de condiciones que la habilitan. Seguido de estas marcas, se le ha colado un
contacto normalmente abierto para la parada de emergencia que desconecta todas
las salidas del PLC en caso de emergencia. El contacto Normalmente abierto (NO)
se debe a que el encargado de deshabilitar ese contacto es el relé de seguridad, y
este siempre lo mantiene activo.
Ilustración 5-21: Configuración de las salidas digitales
Fuente: Autor.
104
h. Descripción de cada bloque.
Ilustración 5-22: Bloques por cada tanque
Fuente: Autor
Al abrir la ventana del taque de agua caliente, como se muestra en la
ilustración 5.22, se puede ver que contiene los bloques de los equipos que se
encuentran ligados a este tanque. Al igual que en el TAC, la segmentación de los
bloques aplica, de igual manera, para el TAF, el TC y las Torres de enfriamiento
bajo el mismo principio de estructuración, pero asociado con el equipo que le
corresponde. Esto se hace con el fin de mejorar el orden en el árbol del proyecto. A
continuación, se describe cada bloque.
105
i.
Bloque de alarma:
Aquí se encuentras los códigos que generan la condición para que lance una
alarma en el caso del tanque de agua caliente.
ii.
Alternancia de bombas:
En este bloque de función, se encuentra el código que muestra en la pantalla el
tiempo que la bomba lleva funcionando y determina que cuando se cumpla el tiempo
establecido por el usuario cambien entre sí. Esto ayuda a que el desgaste mecánico
entre ambas bombas sea parejo para ambas bombas.
iii.
Bomba PC.10. XX. XX.
Este bloque es igual para todas bombas de las secciones de los tanques. Allí
se encuentran el código que determina los arranques de cada bomba, tanto para
los arranques manuales como en automático.
Se encuentran también las referencias analógicas que determinan la velocidad
de la bomba a través de las salidas analógicas del PLC (en el caso de las bombas
que cuenten con VFD). En cuanto a las bombas del TAC y los motores de las torres
de enfriamiento que no cuentan con VFD, el código es más sencillo, puesto que no
necesita de una referencia para operar, solo necesita que la señal digital del PLC
sea activada.
iv.
Límites de advertencia.
En este bloque, se ha programado la lógica de aquellas condiciones que
restringen el funcionamiento de las bombas. Como por ejemplo, los niveles máximos
y mínimos de agua para que las bombas trabajen de manera segura, los límites de
velocidad, condiciones para que las dos bombas funcionen al mismo tiempo, límites
de presión, entre otras.
A través de la ilustración 5.23, se han definido los límites de nivel en los tanques
para el arranque de bombas.
106
Ilustración 5-23: Esquema de funcionamiento de los márgenes para
la confirmación de arranque de las bombas.
Fuente: Autor
El código se ha programado para que, en caso de que el nivel vaya en
descenso, la condición de encendido de las bombas del tanque se mantenga hasta
llegar a "LL", por el contrario, si este se empieza a llenar, la bomba se activara
nuevamente hasta superar el nivel "L" y si continúa llenándose arrancará la segunda
bomba cuando llegue a superar el margen inferior. Se vuelve a cumplir el ciclo si
este empezara a descender.
El comportamiento de las bombas, cuando el nivel está lleno, no afecta a la
bomba que contiene el tanque sino a la bomba que le envía agua para llenarlo. Esto
quiere decir que cuando el nivel va en ascenso, la condición de encendido de las
bombas de llenado se mantendrá hasta llegar a "HH". A continuación, una de las
bombas se reactivará nuevamente si el nivel comienza a descender hasta el nivel
"H". Si el nivel continúa descendiendo, este activará la segunda bomba de llenado
cuando sean inferior al margen superior.
107
En el rango de operación dual es donde las bombas pueden operar
simultáneamente. Es así como se logra que las bombas operen según las
condiciones de demanda en el nivel y tener un ahorro energético, según las
condiciones de operación.
Estos valores de nivel se pueden modificar desde la sección de parámetros de
la HMI. Dejando abierta la posibilidad de parametrizar las condiciones de arranque
según se desee.
v.
Bits HMI
Este DB contiene todos los Bits de la HMI (bool) son variables que se activan
desde los botones de la pantalla y desencadenan una acción dentro del código.
vi.
HMI T.X.X.
Este DB almacena todos los valores que son introducidos desde la HMI como
los valores de los parámetros. Todos han sido puestos en remanencia para que
guarde el valor en la memoria del PLC en caso de un corte de energía. Cada tanque
tiene un DB generado exclusivamente para procesar los valores que se le son
asignados.
i.
Nuevas funciones de la lógica de control.
El nuevo control lógico programable tiene un algoritmo capaz de:
•
Controlar cada motor independientemente de manera automática y manual.
•
Bloquear la salida de activación de cualquier equipo.
•
Controlar la velocidad de los motores del TC y del TAF a través de un control
por lazo cerrado.
•
Alternar los equipos de bombeo automáticamente para que se tenga un
desgaste mecánico paralelo.
108
•
Configurar parámetros como: ajustes de tiempo, límites de nivel de líquido y
de presión, referencia de velocidad, consignas, tolerancias.
•
Realizar paros preprogramados.
•
Adaptar el sistema a condición de demanda en presión y nivel.
•
Determinar las condiciones funcionamiento de las torres de enfriamiento si la
temperatura es inferior a valor configurable (38°).
Esta y otras más pueden ser agregadas como futuros proyectos dentro del
algoritmo de control gracias a la flexibilidad en software que se tiene.
B. Interfaz gráfica.
La interfaz gráfica se llevó acabo utilizando el software TIA portal con la
siguiente licencia.
•
SIMATIC WinCC Comfort en el software TIA Portal V14.
La interfaz gráfica ha sido diseñada con el software TIA Portal con la licencia
anteriormente descrita brindada por la compañía. Todos los elementos que se
observan en ilustración 5.24 son de la pantalla inicial, con la cual los operadores y
usuarios pueden acceder a las distintas pantallas que se ha configurado para
supervisar, mostrar la información operativa en tiempo real y controlar el proceso.
109
Ilustración 5-24: Imagen principal de la interfaz gráfica.
1
2
3
4
5
6
7
8
A
B
9
15
10
16
11
17
20
C
0
18
12
21
19
13
14
D
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Fuente: Autor.
a. Funcionamiento de la pantalla.
El modelo de la pantalla es Siemens TP700 Comfort permite que la interacción
con el usuario se realice de manera táctil. Como ya se ha mencionado, las HMI
están en ubicadas en el panel de envasado CP.20.01.00 y en panel de la sección
de enfriamiento y almacenamiento CP.10.01.01, se ha diseñado una interfaz gráfica
que se describe a continuación:
La pantalla se divide en cuatro grupos funcionales (consulte la ilustración 5.24).
110
i.
•
A: Área permanente.
•
B: Información general de sistema.
•
C: Navegación de operación.
•
D: Menú de navegación.
Área permanente.
El área permanente contiene información general de la operación del sistema.
La tabla 5.3 describe cada uno de los iconos y avisos que aparecen.
Tabla 5-3: leyenda de la ilustración 5.24., Área permanente.
#
1
2
3
4
Función
Logotipo de la compañía.
Aparecerá, si alguno de los hongos de emergencia ha sido
presionado.
Aparecerá, si el sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) está
funcionando.
Saldrá una vez que se ha confirmado el paro de producción.
Modo de operación:
5
Automático: indica que todas las bombas y las torres de enfriamiento
tiene la operación automática.
Manual: indica que alguno de los equipos de bombeo o torres de
enfriamiento está en operación manual.
6
7
8
Indica en que pantalla se encuentra. Sí se presiona, despliega a una
ventana para cambiar a la pantalla que desee.
Hora y fecha local.
Ventana emergente que muestra los avisos, alarmas y advertencias
actuales del sistema.
Fuente: Autor.
111
ii.
Información general del sistema
Despliega los avisos de las condiciones generales de funcionamiento del
sistema mostrados en la siguiente tabla:
Tabla 5-4: Leyenda de la ilustración 5.24, estado general de sistema.
¡mensaje!
¡mensaje!
¡mensaje!
¡mensaje!
¡mensaje!
Hongo de emergencia presionado.
Paro de producción.
UPS activada.
Presión de envío estable.
Presión de envío fuera de rango.
Fuente: Autor.
iii.
Navegación de operación
En general, es el área que muestra las pantallas que el operador desee
visualizar. La sección de navegación y operación contiene los botones que se
explican en la tabla 5.5.
Tabla 5-5: leyenda de la ilustración 5.24, navegación de operación.
#
Botón
Función
Despliega la información relevante de la conexión de
9
Información de
bombas:
cada bomba y torre de enfriamiento, y como está
ligado con su respectivo dispositivo de maniobra y
control, así como la salida de PLC, entrada de
confirmación y el slot de PLC.
10
Información del
proyecto
Contiene información general del proyecto.
Permite:
Calibrar pantalla: permite configurar la pantalla en
11
Configuración del
sistema
caso de des calibración.
Limpiar pantalla: se usa en caso de que la pantalla se
encuentre manchada o presente signos de suciedad.
112
Permite que el operador la limpie durante un tiempo
defino con un paño limpio.
12
13
Administración de
usuarios
Información del
sistema
Permite configurar los permisos de administración, así
como agregar usuarios, removerlos y cambiar las
contraseñas de acceso.
Muestra la conexión, el tipo de controlador y versión de
pantalla.
Se configuran parámetros para la operación del
14
Configuración de
operación
sistema: tiempos, consignas, valores PID,
configuración de niveles, ajuste de referencias de
velocidad, entre otros.
15
Registro de
Gráfico del comportamiento de las temperaturas del
temperatura.
TC, TAF, TAC.
16 Registro de presiones.
17
Registro de Niveles.
Gráfico del comportamiento de la presión de envió
hacia los pasteurizadores.
Se divide en un gráfico de nivel en TC, TAF, TAC para
observar el comportamiento de la variable.
Permite activar o detener los registros de datos del
18
Data Logging
comportamiento de las variables de nivel, presión y
temperatura.
19
Tiempo de rebalse
20
Ir a inicio
21
Tipo de Pantalla
Muestra el tiempo acumulado en que los tanques se han
estado rebalsando.
Muestra la vista general del sistema.
Indica en cuál de las dos HMI está: si se encuentra en
la HMI local o en la remota.
Fuente: Autor.
113
iv.
Menú de navegación.
Área permanente para la navegación, presionando los botones se despliega la
interfaz de usuario que el operador desee consultar. Aparecerá en todo momento
para gestionar la operación del sistema. En la tabla 5.6 se describe cada botón.
Tabla 5-6: leyenda de la ilustración 5.24, menú de navegación.
#
Botón
22
Home
Función
Muestra la vista general del sistema (ilustración 5.25).
Operación del área de Tanque de captación (ilustración 5.27).
23
TC
Desde aquí se pueden cambiar valores de consigna (cuadro
azul) y controlar ambas bombas.
Operación del área de Tanque de Agua Caliente y Tanque de
24
TAF|TAC
Agua Fría (ilustración 5.28). Desde aquí se pueden cambiar
valores de consigna (cuadro azul) y controlar las bombas del
TAC y el TAF más las torres de enfriamiento.
25
Paro
Detiene toda la operación del sistema. No permite arrancar
ninguna bomba ni torre de enfriamiento.
Reset para:
26
27
28
29
Reset
Alarmas
Configuraci
ón
Log out
•
Alarma por disparo de motor o bomba.
•
Reestablece alarmas.
•
Reestablecer paro producción.
Búfer de los últimos avisos registrados según hora y fecha.
Redirige a la pantalla inicial (ilustración 5.24).
Cerrar la sesión de usuario activa.
Ingreso de usuario para permitir la operación. (Existen 3
30
Log in
usuarios: supervisor, operador y administrador cada uno con un
grado de acceso diferente).
114
Salir del
31
modo
Sale al sistema operativo de la HMI TP700 comfort.
Runtime.
Fuente: Autor.
Ilustración 5-25: Monitoreo de la vista general de todo el sistema
Fuente: Autor.
La ilustración anterior es la vista general que muestra las condiciones generales
de todo el proceso, permite que el operador, en ciertas circunstancias, vaya más
allá del monitoreo del sistema y controle el estado de cada equipo e intervenga en
el proceso. Se ha diseñado de tal manera que, cuando el operador detecte que haya
una condición que amerita ser intervenida, podrá acceder al elemento en cuestión
pulsando sobre él (ya sea una bomba o torre de enfriamiento) y a continuación podrá
controlar el equipo a través de una ventana emergente (ilustración 5.26).
Se ha diseñado una de estas ventanas por cada equipo, con el fin de poder
cambiar las condiciones de operación individualmente. Es posible: cambiar de modo
manual o automático, encender o detener el equipo, controlar la velocidad del
variador en modo manual, observar la velocidad de la bomba (si funciona con VFD),
bloquear el equipo y, por último, ver el tiempo de alternancia de la bomba.
115
Para el caso de los motores que no funcionan con VFD, como con las torres de
enfriamiento y de las bombas del tanque de agua caliente, se ha diseñado una
ventana emergente con el mismo diseño que la de la ilustración 5.26, pero esta vez
sin el cuadro que indica la velocidad y el cambio de velocidad en la operación
manual.
Ilustración 5-26: Ventana de operación para una de las bombas del tanque de captación
Fuente: Autor.
Una de las condiciones principales en las que se pensó para que el usuario
pudiese visualizar el estado de cualquiera de las torres o de los quipos de bombeo,
fue mediante los colores de funcionamiento. Cada equipo de bombeo y torre de
enfriamiento tienen un color que las identifica, según su estado de operación. En la
tabla 5.7 se describe cada uno de esos colores.
Tabla 5-7: Estado de los equipos según el color.
Color
Estado
Gris
El equipo está detenido.
Verde
Amarillo
Rojo
Azul
El equipo tiene confirmación de arranque, es decir, está
funcionando a nivel lógico y por ende físicamente.
El equipo está en modo manual
El PLC ha ordenado encender el equipo, sin embargo,
no se ha recibido una confirmación de arranque.
El equipo está bloqueado o en mantenimiento.
Fuente: Autor.
116
Ilustración 5-27: Monitoreo de la sección de captación.
Fuente: Autor.
Ilustración 5-28: Monitoreo de la sección de almacenamiento y enfriamiento
Fuente: Autor.
Para mostrar las variables de proceso como temperatura, presión y nivel que
captan los sensores, los valores en tiempo real se ubicaron en un recuadro color
amarillo, y para los de referencia o consigna en color azul. La distinción de colores
permite que los operadores puedan observar y cambiar fácilmente los valores del
117
proceso en el equipo que lo contiene. Por ejemplo, para el caso del tanque de agua
caliente (ilustración 5.28), se muestran los valores de nivel y temperatura actuales
en color amarillo y, para el caso del nivel mínimo de referencia, en color azul.
5.3.4.4
Armarios eléctricos.
A. Armario ubicado en la sección de almacenamiento y enfriamiento.
Ilustración 5-29: Armario principal CP.10.01.00 ubicado en la sección de almacenamiento y
enfriamiento.
Reemplazo de los gabinetes A1 al A4 en la sección de almacenamiento y enfriamiento a la
izquierda. Distribución eléctrica interna del armario a la derecha.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
En este armario de 200x90x60 cm se encuentra el controlador maestro del
sistema de recirculación de agua y extracción de calor. Allí se centralizan todas las
señales de los transmisores, las señales discretas para la activación de las bombas
118
y las torres de enfriamiento, que, al final, terminan conectadas con los módulos del
PLC. La distribución de los equipos se muestra en la página 181 anexo 3. Dicha
hoja del anexo forma parte de las 20 páginas de planos eléctricos generados del
nuevo armario. Esta documentación no ha sido revelada en el presente documento
por políticas de confidencialidad de la compañía.
Para la elaboración del nuevo armario eléctrico, se ha seguido la metodología
de desarrollo expuesta en la sección de armarios eléctricos.
Se propone que los dispositivos de maniobra y control, y protecciones que aún
cumplen con el funcionamiento y la adaptación de la nueva lógica de control con el
autómata programable, se reutilicen, con el fin de bajar los costos de la
implementación. El total de los dispositivos reutilizados se muestran en la siguiente
tabla.
Tabla 5-8: Dispositivos reutilizados de la lógica de control por relé cableado.
Panel CP.10.01.00
Cantidad Descripción
1
Switch Stratix 2000 Allen Bradley 1783-US5T.
4
Patch Core 1m.
1
1
1
1
CPU S7-1200 Siemens.
Módulo de entrada y salida digitales Siemens 6ES7 223-1PH30-0XB0.
Módulos de entrada y salidas analógicas Siemens 6ES7 234-4HE300XB0.
2
1
2
2
VFD PowerFlex 70 Allen Bradley.
Relay Cutler-Hammer D4PA1 zócalo de relé + Relé 24Vdc.
Transformador STU500/2X115 2,5 AMP.
VFD PowerFlex 525 Allen Bradley.
Relay 22Z 120 V.
1
1
Seccionador Eaton P3-63.
Botón de paro de emergencia M22-PVT.
Fuente: Autor
Para la elaboración y diseño del nuevo armario, se tuvieron en consideración los
siguientes criterios para la distribución interna dentro del tablero de control.
•
La organización interna de la entrada del cableado se ha realizado
respetando las puestas a tierra de todos los equipos.
119
•
Se han separado físicamente los recorridos de los distintos voltajes de
control y potencia.
•
Las señales analógicas han sido cableadas con apantallamientos y el
mismo ha sido aterrizado.
•
Se han separado los puntos de red que establecen la comunicación
Ethernet de las canaletas.
Esto permite mitigar el ruido eléctrico y la interferencia electromagnética en los
equipos más sensibles, con una adecuada distribución interna separando
claramente las fuentes de ruido de las víctimas que encierra el armario. A
continuación, se explican las secciones que componen al armario:
a. Sistema de alimentación y protección.
Esta se encuentra ubicada en la parte superior del armario como primera división
(ilustración 5.30).
Ilustración 5-30: Primer nivel donde se encuentra la sección de la distribución de la
alimentación y protección.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
120
Consta de una entrada de alimentación principal a 480 VAC que cruza a través
del seccionador principal (reutilizado), llega al interruptor termomagnético (100
Amps) y este último la conecta con un bloque de distribución que suministra
corriente a ocho motores eléctricos que conforman el sistema de actuación, y a un
sistema de alimentación que reduce la tensión a niveles de control.
Como se dijo anteriormente, a partir de los 480 VAC, el sistema de alimentación
se deriva en tensiones de control más bajas: de 120 VAC y 24 VDC. Los dispositivos
que se encargan de bajar esta tensión se detallan a continuación:
i.
Transformador STU500.
Este trasformador reduce la tensión trifásica de 480 VAC a 120 VAC a una
corriente máxima de 2,5 amperes (300 Watts). Los dispositivos conectados a esta
alimentación se muestran en la tabla 5.9.
Tabla 5-9: Derivación del transformador que provee 120 V AC al circuito.
Alimentación de transformador STU500
Cantidad
Dispositivo
2
Arrancadores suaves
6
Luces para baliza: verde, amarillo, rojo.
1
Relé auxiliar R2
1
Relé auxiliar R4
1
CPU S7-1200.
Total
Watts
1,2
30,0
6,0
6,0
36
79,2
0,6 c/u
5Wc/u
Fuente: Autor.
En suma, con los elementos conectados se tiene un total de 79,2 de 300 Watts
de su potencia nominal, lo que guarda una carga de trabajo disponible para los
receptáculos de 1.5 a 2 amperes. Sin embargo, estos normalmente no poseen
carga, ya que son destinados a cargadores de computadora.
121
ii.
Fuente conmutada SITOP PSU200M
Esta fuente transforma el voltaje de dos fases trifásicas (207 VAC) a 24 VDC. Es
capaz de entregar en su salida una potencia de 240 Watts. Los dispositivos
conectados a esta fuente se muestran en la tabla 5.10.
Tabla 5-10: Derivación de la fuente que provee los 24 VDC al circuito.
Cantidad
1
1
7
1
4
1
1
Alimentación Fuente SITOP
Dispositivo
HMI.
Swicth Stratix 2000
Instrumentación
Relé de seguridad
Contactores
Relé auxiliar R1
Relé auxiliar R3
Total
Watts
13,2
2
6,3
10,8
10,56
7,2
7,2
57,26
Fuente: Autor.
Al realizar la suma de la carga de los elementes instalados, se tiene obtiene un
total de 57.26 Watts de 240 Watts, dejando un 75 % de la capacidad abierta las
posibilidades de que en un futuro nuevos equipos sean agregados.
iii.
Fuente de alimentación de la CPU S7-1200
Esta fuente de alimentación tiene una capacidad de salida de 400 mA a 24 V
DC para las entradas digítales locales, y para las bobinas de relé de los módulos de
ampliación. Suministra, además, 1600 mA a 5VDC para los módulos de ampliación
cuando son conectados.
Para haber determinado que la fuente interna de la CPU puede soportar la carga
de los módulos, se ha realizado el cálculo recomendado por fabricante (tabla 5.11),
ya que en caso de que se exceda la corriente disponible de la CPU, es posible que
122
no se pueda conectar el número máximo de módulos soportado y se tendrán que
alimentar con una fuente externa.
Tabla 5-11: Corriente disponible de la CPU S7-1200.
Corriente de disponible de la CPU
5 VDC
24 VDC
CPU 1214C AC/DC/relé
1600 mA
400 mA
Consumo del sistema
5 VDC
24 VDC
CPU 1214C 14 DI
-
14 * 4 = 40 mA
menos
1 SM 1223 8 DI
8 * 4 = 36 mA
145 mA
1 SM 1223 8 DQ
8 * 11 = 88 mA
2 SM 1234 AI4 AQ 2
2 * 80 = 160 mA
2 * 60 = 120 mA
Consumo total
305 mA
284 mA
Balance de corriente
5 VDC
24 VDC
Balance total de corriente
1295 mA
116 mA
Igual a
Fuente: Autor, basado en (Stanley, 2012)
El cálculo se ha basado en condiciones máximas de operación con los módulos
ya instalados. Sin embargo, la alimentación de módulos no supera la corriente
suministrada por la CPU quedando un sobrante de 116 mA para las entradas
digítales locales y para la ampliación de módulos quedarían 1295 mA. Esto permite
utilizar la alimentación interna de la CPU para conectar los módulos.
iv.
Protecciones.
Para las protecciones, se han considerado los equipos sensibles a falla y se le
ha colocado una protección térmica a cada uno asegurando una protección contra
una sobrecarga o corto circuito en la línea del dispositivo. En la tabla 5.12 se
muestran todas las protecciones que se encuentran en el armario.
123
Tabla 5-12: Interruptores termomagnéticos empleados en el armario CP.10.01.00.
Disyuntor
Disyuntor
termomagnético
Siemens 3VT17102DC36-0AA0
Disyuntor
termomagnético
Siemens 5SY42047CC
Polos
Tag
Amps
Equipo
3
Q0.1
100
Protección trifásica en la entrada de todo el
sistema de recirculación de agua y
extracción de calor
2
F0.0
4
Protección de entrada 207 V para Fuente
SITOP 6EP 1334-3AB10
F0.1
4
Protección de transformador
STU500/2X115 para receptáculos y equipo
UPS
F0.2
4
Protección de UPS para entrada 120VA a
PLC
F1.0
4
Protección de Fuente SITOP 6EP 13343AB10 para la salida de 24V
F1.1
4
Protección de salida de 24V de PLC para
HMI Local
F1.2
4
Protección de salida de 24V de PLC para
relé de seguridad PILZ 750102
F1.3
4
Protección de salida de 24V de PLC para
Switch local Stratix 2000
F1.4
4
Protección de salida 24 PLC para salida
alimentación de las señales analógicas y
digitales
1
Fuente: Autor
124
b. Centralización de señales al controlador S7-1200.
Ilustración 5-31. segundo nivel donde se encuentras cableadas todas las señales analógicas y
digitales del PLC.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
Para este montaje del cableado eléctrico, se siguió la metodología de montaje
de la sección 4.1.7. Todas las salidas y entradas tanto digitales como analógicas
que no se utilizaron, están cableadas a las borneras dejando abierta la posibilidad
para futuros equipos o señales que se le quieran agregar al PLC. Mientras que las
borneras que sí se ocuparon ocupan llegan las señales de:
Entradas analógicas 4-20 mA:
o Transmisor de presión Rosemount 2088.
o Los dos transmisores SITRANS Probe LR para el nivel del TAF.
o Los dos transmisores de temperatura Sitrans TS500.
Salidas analógicas 0-10 V:
o VFD PowerFlex 70 Allen Bradley.
o VFD PowerFlex 525 Allen Bradley.
o Dos VFDs Danfoss FC280.
Entradas digitales:
125
o Señales de confirmación de los 8 motores.
o Señal de parada emergencia.
o Señal de sistema de alimentación ininterrumpida (UPS).
Salidas digitales:
o Activación de los 8 motores.
o Activación de las 3 luces para baliza.
i.
Selección de los módulos de ampliación.
Para seleccionar cuantos módulos, se necesitan en el proyecto se realizó una
tabla que contiene todas las señales involucradas para la automatización (tabla
5.13).
Cabe recalcar que gran parte del autómata fue reutilizada como lo fueron la
CPU 1214C AC/DC/RLY, un módulo analógico de 4 AI y 2 AO, y un módulo digital
de 8 DI y 8 DO, por lo que las señales que se pretenden utilizar serán adaptadas a
estos módulos para disminuir los costos. Por tanto, trabajando con lo se tiene, se
realizó la siguiente tabla para determinar la necesidad de compra de módulos:
Tabla 5-13: Entradas/salidas analógicas y digitales utilizadas en la automatización según módulos
reutilizados.
Módulos reutilizados
Señales que ocupa la
automatización
Analógicos
Digitales
CPU
6ES7 2344HE30-0XB0
6ES7 2231PH30-0XB0
1214C
AC/DC/RLY
Faltan
Entradas analógicas
7
4
0
2
1
Salidas analógicas
4
2
0
0
2
Salidas digitales
11
0
8
10
-7
Entradas digitales
10
8
14
-12
0
Fuente: Autor.
Según la tabla anterior, hace falta una entrada analógica y dos salidas
analógicas. Por ende, se cotiza un segundo módulo analógico con la distribuidora
“AB automation”, el que brindó información acerca los equipos disponibles en el
126
mercado. Terminando de comprar el mismo modelo con él que ya se contaba, ya
que este cubría la necesidad.
De esta manera, la segmentación de los módulos con las señales que se
necesitan se muestra en la tabla 5.14.
Tabla 5-14: Selección final de entradas/salidas analógicas y digitales utilizadas en la
automatización según módulos reutilizados y comprados.
Comprado
Reutilizados
Analógicos
Señales que ocupa la
automatización
Digitales
CPU
6ES7 2344HE30-0XB0
6ES7 2344HE30-0XB0
6ES7 2231PH30-0XB0
1214C
AC/DC/RLY
sobran
Entradas analógicas
7
4
4
0
2
3
Salidas analógicas
4
2
2
0
0
0
Salidas digitales
11
0
0
8
10
7
Entradas digitales
10
0
0
8
14
12
Fuente: Autor.
En resumen, el hardware de la CPU queda configurado con un SM de señales
digitales y dos SM de señales analógicas (ilustración 5.32). Quedando a disposición
para futuras ampliaciones 3 entradas analógicas, 7 salidas digitales y 12 entradas
digitales.
A partir que aquí, se generó la tabla 4.10 y la conexión del cableado entre los
módulos y los dispositivos de campo que se explican en el capítulo 4 en la sección
4.1.7.
127
Ilustración 5-32: Configuración del CPU s7-1200 - 1214C AC/DC/RLY
con los módulos utilizado para la automatización.
Fuente: Autor, de Software TIA Portal V14: Configuración de dispositivo.
c.
Montaje de los dispositivos de maniobra y comunicación
Ilustración 5-33: Tercer nivel compuesto por dispositivo de maniobra.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
En esta tercera línea del montaje del armario, se han colocado los
guardamotores y los contactores y su lado opuesto, el relé de seguridad y el switch
de comunicaciones.
Para la selección de contactores y guardamotores, se ha tomado en cuenta los
consumos de potencia de cada motor. La tabla 5.16 ubica a cada motor con su
respectivo contactor que lo controla y el guardamotor que lo protege. Cada contactor
128
y guardamotor como se ha indicado está asociado a un motor y tiene el siguiente
aspecto en su conexión.
Ilustración 5-34: Conexión entre los dispositivos de maniobra y control.
Con VFD
Con arranque suave
Solo con contactor
Guardamotor
Guardamotor
Guardamotor
VFD
Arranque suave
Contactor
Contactor
Motor
Motor
Motor
Fuente: Autor.
Siguiendo el esquema de la ilustración 5.34, las bombas que componen el
sistema, se conectaron según la siguiente tabla.
Tabla 5-15: Conexión de los actuadores.
Bombas TC
Con VFD
Armario CP.10.02.00
Bombas TAC Con arranque suave
Bombas TAF
Con VFD
Motor de
Solo con contactor Armario CP.10.01.00
TE2
Motor de
Solo con contactor
TE1
Fuente: Autor.
129
Los guardamotores, contactores y los VFD disponen de contactos auxiliares en
el que a través de un circuito serie que llega a una entra digital del PLC, pasa un
circuito de confirmación de arranque en los contactos NO. Esto quiere decir que, en
caso de que el guardamotor entre en protección, el contactor falle o que alguno de
lo variadores de frecuencia entre en fallo, el contacto NO abre el circuito de
confirmación desapareciendo el bit en la entrada del PLC, dando como resultado
una alerta en la HMI de “fallo por confirmación”.
Tabla 5-16: Guardamotores y contactores asociados a cada motor según su rango de potencia.
Equipo
PC.10.01.01
PC.10.01.02
PC.10.02.01
PC.10.02.02
PC.10.06.01
PC.10.06.02
MO.10.05.01
MO.10.04.01
Potencia
14 HP
9 HP
4,2 HP
5 HP
10 HP
15 HP
2 HP
5 HP
Contactor
15 HP
10 HP
5 HP
5 HP
10 HP
15 HP
2 HP
5 HP
Guardamotor
15 HP
10 HP
5 HP
5 HP
10 HP
15 HP
2 HP
5 HP
Fuente: Autor.
En este nivel, se encuentra el relé de seguridad. Este ha sido cableado para
cortar la alimentación de la fuente SITOP PSU200M y enviar una señal al PLC
cuando sea activado por el hongo de parada de emergencia y, por ende, reaccione
deshabilitando todas las salidas digitales inmediatamente.
d. Variadores de frecuencia y arrancadores suaves.
130
Ilustración 5-35: Cuarto nivel, compuesto por la electrónica de potencia.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
En este último nivel, se encuentran los variadores de frecuencia y los
arrancadores suaves de los motores.
i.
Arrancadores suaves.
Se decidió instalar arrancadores suaves para aumentar la vida útil de la bomba
y tener una mayor eficiencia energética en el arranque y paro de las bombas del
tanque de agua caliente. El dimensionamiento de estos dispositivos se dio según la
potencia de consumo del motor que controla (Bomba PC.10.02.01 y PC.10.02.01).
En este caso, ambos arrancadores suaves se cotizaron a 7,5 HP, ya que cada
bomba del tanque de agua caliente consume 5 HP, dando lugar a una correcta
operabilidad
Estos arrancadores suaves poseen una bobina a 120 V AC para la maniobra
de control y una salida a 120 V AC que sale en uno de sus terminales, indicando la
confirmación del arranque. Esto presentó problemas en el momento de montaje,
pues, al tener una maniobra de control gobernada por 24V DC, se tuvo que hacer
131
adaptaciones con relés para controlar la bobina del arrancador suave con la misma
maniobra de control de 24 VDC. Eso significo instalar relés (Nivel 3, ilustración 5.33)
a 24 V DC y que, a través de los contactos NO habilite la alimentación a la bobina
del arrancador suave. Una vez activado el arrancador suave, la señal de
confirmación daría paso a otro relé con bobina a 120 V AC (relé contiguo al
arrancador suave, ilustración 5.35), para que mande la confirmación de arranque al
PLC a través de uno de sus contactos NO.
Se hizo de esta manera, ya que, consultando con proveedores locales, no se
consiguió un arrancador suave con bobina de arranque a 24 V DC. Sin embargo, la
solución descrita anteriormente funciona correctamente. Estos relés dentro de los
tableros han sido etiquetados como:
o Los de 120 V AC: R2, R4.
o Los de 24 V DC: R1, R3.
ii.
Variadores de frecuencia.
En este armario, se encuentran los VFD PowerFlex 70 y PowerFlex 525 ambos
controlan las bombas del tanque de agua fría. La determinación de arranque y
condición de control están dadas por una salida digital del PLC que manda a
arrancar el variador, y la otra es una salida analógica configurada a 0-10 V para el
control de la referencia de velocidad.
El valor de la referencia analógica cambia su valor, según las variaciones de
presión en el proceso. Estos variados se han configurado manualmente desde la
interfaz de usuario que trae cada variador, configurándole los datos de placa del
motor que controla, el ajuste de referencia de la entrada analógica, los límites
máximos y mínimos en Hz, y la configuración del relé interno.
Dentro de la lógica de control del PLC, se ha definido un valor de referencia
mínimo para la velocidad del motor y que puede ser configurada por el usuario
desde la pantalla. Por recomendaciones de los ingenieros a cargo, se ha definido el
132
valor mínimo a 40 Hz. Esto debido a que, por debajo de esta velocidad, no es
eficiente mantener la bomba encendida.
Por último, para alimentar los motores se ha puesto aguas debajo de los
guardamotores y variadores de frecuencia, una sección de borneras exclusiva para
la conexión de todos los motores eléctricos de la sección de almacenamiento y
enfriamiento, es decir, un total de seis de los ocho motores que componen todo
sistema actuación (ilustración 0.37).
Ilustración 5-36: Bornes para conexión de los motores de la sección de almacenamiento y
enfriamiento.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
e. Interfaz Humano Máquina
La HMI TP700 Comfort está ubicada en la puerta del armario y desde aquí es
posible observar y controlar los equipos de bombeo y torres de enfriamiento
localmente (ilustración 5.38). La HMI se comunica a través del puerto 4 del switch
con el protocolo de comunicación Profinet con el PLC. Desde esta HMI, se tiene el
control total del sistema, es posible encender, detener, bloquear, los distintos
equipos de bombeo y las torres de enfriamiento. Se puede consultar el historial de
alarmas, observar gráficamente las variables de nivel, presión y temperatura en el
tiempo real, además, ver el despliego de avisos, advertencias y alarmas del estado
actual del sistema.
133
Ilustración 5-37: Monitoreo con la HMI TP700 Comfort en la sección de almacenamiento y
enfriamiento.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
134
B. Armario ubicado en la sección de captación.
Ilustración 5-38: Armario remoto CP.10.02.00 ubicado en la
sección de captación.
Gabinete adaptado a la nueva lógica de control a la izquierda. Distribución eléctrica interna
del armario a la derecha.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
En este armario de 190x80x50 cm se han reutilizado algunos de los equipos
que existían en la lógica de control con relés cableados, estos se muestran en la
tabla 5.17. Aquí, se encuentran las señales de los transmisores del área de
captación, el sistema de alimentación, las protecciones y los dispositivos de
maniobra y control de las dos bombas del tanque de captación.
135
Panel CP.10.02.00
Tabla 5-17: Equipos reutilizados del armario.
1
1
Luz piloto rojo con base para luz
Luz piloto verde con base para luz
1
1
1
1
1
1
Contacto NC para botón de paro EATON
Guardamotor Siemens 3RV2021-4AA15
Contactor Siemens 3RT2025-1AK60 120V
botón de paro de emergencia
Disyuntor termomagnético EZC100H 40A
Disyuntor termomagnético EP101UL 4A
3
1
2
1
Porta Fusibles Schneider DF101V
Seccionador Schneider
Variador Danfoss 15 HP FC-280P11K
Fuente PSG60E 100-240V/24V 2,5A
Fuente: Autor.
En su interior se ha desplazado la lógica con relés y se le ha dado lugar a un
nuevo control en el que se reciben y se envía las siguientes señales provenientes
del armario principal (CP.10.01.00).
Envían al PLC:
a. Señal 4-20 mA del transmisor Levelflex FMP54.
b. Señal 4-20 mA de transmisor de temperatura Endress and Hauser
M TR10
c. Señal de confirmación de arranque de cada una de las bombas.
Reciben del PLC:
•
Bit de arranque desde el armario principal.
•
Señal analógica para el control de la velocidad de las bombas.
a. Sección de protección:
Al igual que en el armario CP.10.01.00, se han considerado los equipos
sensibles a falla y se le ha colocado una protección térmica a cada uno asegurando
136
una protección contra una sobrecarga o corto circuito en la línea del dispositivo. En
la tabla 5.18, se muestran todas las protecciones que se encuentran en el armario.
Tabla 5-18: Interruptores termomagnéticos empleados en el armario CP.10.02.00
Disyuntor
Polos
Tag
Amps
Disyuntor termomagnético
EZC100H
3
Q0.2
40
Protección trifásica en la entrada
del gabinete de control
1
F4
4
Protección de entrada 120 V AC
para fuente PSG60E
Disyuntor termomagnético
EP101UL 4A
Equipo
Fuente: Autor.
C. Armario ubicado en el área de envasado.
Ilustración 5-39: Armario remoto CP.20.01.00 en el área de envasado.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
Este pequeño armario remoto de 60x30x20 cm se ha ubicado junto a la
pantalla de uno de los pasteurizadores del área de envasado para optimizar el lugar
de operación y poder controlar y monitorear simultáneamente uno de los
pasteurizadores y el sistema de recirculación de agua y extracción de calor en un
137
mismo sitio. Al igual que la HMI local, el modelo de esta pantalla es la misma (TP700
Confort) y permite controlar y observar las mismas acciones de la pantalla local.
En este armario, se encuentra únicamente un sistema de alimentación que lo
compone una fuente conmutada SITOP PSU200M de 240 W para energizar la HMI,
una derivación a bornera donde llegan las señales que activan las luces de la baliza
(ilustración 5.20) y también se encuentra la conexión física a la red Ethernet vía
cobre. El sistema de protección se describe en la siguiente tabla:
Tabla 5-19: Interruptor termomagnético empleado en el armario CP.10.20.00.
Disyuntor
Polos
Tag
Gabinete
Amps
Disyuntor
termomagnético
Siemens 5SY42047CC
1
F1.4
Panel
principal de
P3
4
Disyuntor
termomagnético
Siemens 5SY41017CC
1
F1.5
CP.20.01.00
1
Equipo
Protección de salida de
24V de Fuente en gabinete
de pasteurizador para
Switch remoto Stratix
2000.
Protección de salida de
24V de fuente SITOP 6EP
1334-3AB10 para HMI
remota
Fuente: Autor.
Ilustración 5-40: Baliza para información de condiciones de trabajo.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
138
Las señales luminosas o baliza han sido uno de los componentes reutilizados
del control anterior. Ahora tiene un significado de los colores diferentes que se le
han programado. En la tabla 5.21 se describe el significado de alerta según el color.
Además, el lugar donde se ha instalado la baliza es un punto estratégico, ya que
desde allí el operador aun estando en otro sitio dentro del área de envasado, puede
visualizar cualquier estado de alerta desde lejos, aumentando la efectividad en la
atención a fallas y advertencias.
Tabla 5-20: Condición de encendido de la baliza según el estado del sistema.
Luz verde
Luz amarilla
Luz roja
Presión
estable
Encendido
apagado
apagado
Advertencia
Encendido (si
hay presión
estable)
Alarma
apagado
encendido
(intermitente o
fija)
apagado
(posible
encendido)
apagado
encendido
Fuente: Autor.
5.3.4.5
Sección de control.
A. Control PID de nivel y presión.
El software TIA Portal incorpora un asistente de configuración que realiza un
autotuning para aplicaciones de proceso sencillas con lazo de regulación cerrado.
Se ha empleado esta herramienta para configurar los valores proporcionales
integrales y derivativos, de acuerdo con el comportamiento del sistema en tiempo
real de forma automática. En la ilustración 5.41 se muestra el proceso de autoajuste
que se le dio a los valores PID.
139
Ilustración 5-41: Interfaz de configuración para el autoajuste de los valores PID de la presión de
envió de las bombas del TAF.
Fuente: Autor.
Con el panel de sintonía para la puesta en marcha, incluido en TIA Portal, la
optimización del lazo de regulación PID es rápida y precisa. El gráfico muestra
donde el software comienza a realizar un balance a partir del valor de consigna
(color negro) leyendo la entrada (lLínea color verde) para corregir la salida (línea
color rojo). Cuando la salida se encuentre estabilizada, se descarga la configuración
generada por el software de los valores PID a la CPU y, a continuación, el PLC se
encarga de controlar la velocidad de la bomba para mantener estable el valor de
consigna de presión. Estas pruebas se hicieron de manera online, para obtener los
resultados esperados con una repuesta real a las condiciones de trabajo para su
optimización.
De la misma manera que se han configurado los valores PID de presión, se ha
hecho para el nivel del tanque de captación como se ve en la ilustración 5.42.
140
Ilustración 5-42: Interfaz de configuración para el autoajuste de los valores PID del nivel del tanque
de captación.
Fuente: Autor.
En el anexo 7, se puede ver cómo se configuraron en línea a través del
computador portátil los valores PID, desde el punto de acceso remoto colocado en
la puerta del armario.
5.3.4.6
Enlace de comunicación Profinet.
La configuración de las redes define la comunicación entre los distintos
componentes de hardware. El hardware utilizado del sistema para automatización
planteado con una lógica programada está formado por el controlador S7-1200
1214C AC/DC/RLY, los módulos de señal para señales de entrada y salida (SM)
analógicos y digitales y las dos HMIsTP700 Comfort 6AV2 124-0GC01 0AX0.
141
Para establecer la conexión entre el PLC y las HMI ubicada en el área de
envasado y en la sección de almacenamiento y enfriamiento, es necesario asignar
una dirección IP a los equipos, para que, a través del protocolo Profinet en la red
local Ethernet de la planta, se comuniquen entre sí.
Para el caso de la comunicación con la HMI remota, fue necesario colocar un
segundo switch Stratix 2000 en uno de los armarios más cercanos a la conexión de
la red industrial del área de envasado a modo de amplificador, el cual era uno de
los armarios del pasteurizador (ilustración 5.43). Se hizo de esta manera, ya que el
punto de acceso a la red industrial estaba a más de 100 metros de donde se instaló
la HMI remota, y las conexiones por cobre mayores a esta distancia no son estables,
por lo que fue necesario dividir el en enlace con un segundo switch.
Por otro lado, con respecto al segundo switch Stratix 2000 en el panel donde
está la HMI local, cuenta con 5 puertos y 4 de ellos han sido para enlazar vía Profinet
los siguientes elementos:
• El punto de conexión de la (VLAN) de la empresa.
• PLC.
• la HMI local
• Estación remota colocada en la puerta del armario.
En la ilustración 5.45 se muestra la topología de la interconexión con la red
industrial entre los dispositivos involucrados en la automatización. Entre ellos el
Swicth Stratix 2000 con el puerto de conexión al que está asociado cada dispositivo.
142
Ilustración 5-43: Switch Stratix 2000 como amplificador de la conexión
a la red en el armario de pasteurizador.
Fuente: Cortesía de la embotelladora.
5.3.4.7
Interfaz del sistema SCADA.
El enlace de comunicación entre el sistema de recirculación de agua y
extracción de calor, y el sistema SCADA, se produce gracias a la conexión del PLC
con la red local de la planta. El diseño de la interfaz se mantuvo bajo la metodología
de la sección 4.1.4. El software SCADA, a través del enlace de comunicación
Profinet, puede acceder a direcciones específicas dentro del programa del sistema
de recirculación y consultar las variables que se deseen saber. De esta manera,
puede proyectarlas en una pantalla en el cuarto de operación, donde ingenieros y
operados velan por el estado de operación.
Se le brinda a la empresa GNE la lista de variables que se requiere
visualizar, para que se diseñe una interfaz gráfica similar del sistema de
recirculación y extracción de calor a la desarrollada en proyecto en el SCADA. Una
vez realizada esta acción, en la Ilustración 5.45 se muestran los valores en el
sistema SCADA.
143
Ilustración 5-44 Visualización desde el sistema SCADA del cuarto de operaciones.
Fuente: Cuarto de operaciones de la embotelladora
Al ser únicamente monitores, solo se muestran los estados de las bombas y los
valores de nivel presión y temperatura de todo el sistema
A. Arquitectura del hardware en comunicación.
La arquitectura ejecutada por los instrumentos hardware que intervienen en
la red se muestran en la ilustración 5.45.
144
Ilustración 5-45: Topología de automatización.
Fuente: Autor.
Capítulo 6| Análisis final de la
solución.
146
En este capítulo, se muestran los resultados obtenidos a partir los objetivos
planteados, se analizan los impactos de la solución ejecutada.
6.1 Beneficios de la implementación.
Con la llegada de un controlador PLC, se ha cumplido con los objetivos que todo
proceso de automatización tiene, basados en Bravo, Ortiz, y Tamayo (2015):
•
La interconexión entre las etapas del proceso y las futuras con la conexión
a la red industrial de la planta aporta escalabilidad en la ejecución de
proyectos que se quieran comunicar con el sistema. La flexibilidad que aporta
el proyecto, al tener el PLC conectado a la red Ethernet de la planta, hace
posible que se produzcan ampliaciones futuras en el área de pasteurizado u
otras áreas alejadas del sistema de recirculación afines. Esto quiere decir
que se puede tener una automatización mixta con periferias descentralizadas
al tener comunicación con otros controladores y al agregar módulos de E/S
Remotas, permitiendo ampliar el control en la automatización más fácilmente.
•
Mejoramiento productivo: monitoreando el sistema de una manera más
integral, de manera local y remota con el diseño de una interfaz hombremáquina, ayudando a los operadores y a otros empleados a analizar el
comportamiento en tiempo real y tomar decisiones importantes. Entre ellos
destaca la introducción de un paro preprogramado que ayuda a tener el nivel
de agua en el TAF en su máxima capacidad para los próximos arranques de
producción de las líneas de pasteurizado y que ayuda a analizar el tiempo en
horas, minutos y segundos que tiene acumulado todo el sistema en pérdidas
de agua por rebalse y, con esto, proporcionar al operador información que
permita mejorar su método operativo y de supervisión.
•
Mejoramiento de la calidad: los sistemas de control automáticos con PLC
permiten que los niveles de precisión sean mucho mejores, aumentando la
147
fidelidad en la búsqueda de fallos y averías con el despliego de alarmas,
avisos y advertencias en la HMI.
•
Aumento en el nivel de seguridad en la operación con el bloqueo de
equipos y accesos de operación realizados únicamente por operadores y
administradores mediante claves de acceso.
•
Reducir la intervención humana con un control programado que se adapta
a condiciones de demanda por sí solo.
•
Optimización de espacios con la reducción significativa en el cableado y en
la cantidad de tableros eléctricos.
Por otra parte, haber llevar a cabo la automatización con autómatas modernos
permitió la integración tecnológica del sistema de recirculación de agua y extracción
de calor en los tres primeros niveles de la pirámide de la automatización que se
muestra en la ilustración 6.1.
Automatización industrial
nivel de fabricación
Información de negocio
oficina de negocios
Ilustración 6-1: Modelo piramidal de la automatización.
Fuente: Basado en (Lojan Bermeo, 2015, p. 21) y (Bravo et al., 2015, p. 46)
En la pirámide de la automatización, los niveles más bajos (0, 1, 2) corresponden
a la automatización de máquina, mientras en las etapas posteriores se tienen los
temas de automatización organizacional, planeación, económica y administrativa.
Al establecer comunicación del controlador en la red ETHERTNET de planta, es
148
posible avanzar a modelos de automatización más avanzados como lo es el MES y
el ERP. Por lo que el proyecto aquí planteado presenta las herramientas en
comunicación necesarias para disponer de un sistema MES, lo cual es crucial a la
hora de evolucionar hacia la Industria 4.0 ya que puede marcar la diferencia entre
una fábrica tradicional y una fábrica preparada para el futuro.
6.2 Evaluación del funcionamiento.
Para dar de alta el proyecto con el departamento de automatización y de
mantenimiento bajo los requerimientos del área de envasado se creó una matriz de
evaluación que cuenta con todos los elementos a comprobar del proceso de
recirculación y extracción de calor en cuanto al correcto funcionamiento de los
armarios eléctricos y del algoritmo de control.
Se evaluaron un total de 68
elementos en el caso del algoritmo y un total de 38 elementos en los armarios. Se
procedió a evaluar cada rubro indicando si las condiciones en cada elemento se
cumplen o no.
149
6.2.1 Evaluación del algoritmo.
Tabla 6-1 Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del tanque de captación.
#
1
Elemento a comprobar
Tanque de Captación
NO
SÍ


1.1
Visualización de señal de temperatura en pantalla
es correcta


1.2
Visualización de señal de nivel en pantalla es
correcta


1.3
Arranca bomba PC1.1 en modo manual
1.4
Arranca bomba PC1.2 en modo manual
1.5
Arranca bomba PC1.1 en modo automática
1.6
Arranca bomba PC1.2 en modo automática
1.7
Las bombas se bloquean en modo mantenimiento










1.8
lanza mensaje de advertencia de perdida de agua
cuando alcanza el parámetro de nivel número A8


1.9
La protección de nivel en bombas en el parámetro
A7 para modo auto y manual funcionan
correctamente


1.10
La bomba desactiva el modo auxiliar cuando el
porcentaje PID está por debajo del parámetro A6


1.11
La bomba PC1.1 y PC1.2 arrancan en modo
auxiliar según parámetro A4


1.12
Se activa una sola bomba cuando el nivel del TAC
está dentro del margen del parámetro B9


1.13 La regulación PID de nivel funciona correctamente


1.14
Las bombas se detienen al llenarse el llegar al
parámetro B7


1.15
EL valor de referencia sube en el VFD1.2 en modo
manual


1.16
EL valor de referencia sube en el VFD1.1 en modo
manual


1.17
Tiempos de alternancia entre bombas Funcionan
Correctamente (parámetro A1)






La representación gráfica, colores de los objetos y
animaciones son correctas
1.19 Las bombas se detienen según parámetro A5
1.18
Fuente: Autor
150
Tabla 6-2: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del tanque de agua
caliente.
#
2
Elemento a comprobar
Tanque de Agua Caliente
NO
SÍ


2.1
Visualización de señal de temperatura en pantalla
es correcta


2.2
Visualización de señal de nivel en pantalla es
correcta


2.3
Arranca bomba PC2.1 en modo manual
2.4
Arranca bomba PC2.2 en modo manual
2.5
Arranca bomba PC2.1 en modo automática
2.6
Arranca bomba PC2.2 en modo automática
2.7
Las bombas se bloquean en modo mantenimiento
Los parámetros H, HH, L y LL, realizan el correcto
parado de las bombas (parámetros B4, B5, B6,
B7)
Se activa una sola bomba cuando el nivel del TAF
está dentro del margen del parámetro C9


















2.8
2.9
2.10
Se activa una sola bomba cuando el nivel del TAC
está dentro del margen del parámetro B8
La bomba PC2.1 y PC2.2 arrancan
2.12 simultáneamente cuando en nivel supera los
parámetros B8
2.15
Las bombas se detienen al superar el parámetro
C14


2.16
Tiempos de alternancia entre bombas Funcionan
Correctamente (parámetro B1)


Las representaciones gráficas, colores objetos
animaciones son correctas
Fuente: Autor


2.18
151
Tabla 6-3: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del tanque de agua fría.
#
Elemento a comprobar
NO
SÍ


3.1
Visualización de señal de temperatura en pantalla
es correcta


3.2
Visualización de señal de nivel en pantalla es
correcta


3.3
Se visualiza correctamente el valor de presión y la
consigna se puede variar.


3.3
Arranca bomba PC6.1 en modo manual
3.4
Arranca bomba PC6.2 en modo manual
3.5
Arranca bomba PC6.1 en modo automática
3.6
Arranca bomba PC6.2 en modo automática
3.7
Las bombas se bloquean en modo mantenimiento
Los parámetros H, HH, L y LL, realizan el correcto
parado de las bombas (parámetro C11, C12, C13,
C14)
Solo se mantiene una bomba activada si el nivel
del TAF está dentro del margen del parámetro C8














Se activa las bombas simultáneamente cuando la
3.10 presión de envío está por debajo de la tolerancia
del parámetro C6.


3.11
Se detienen las dos bombas cuando hace cambio
de trabajo a una sola bomba en operación.


3.12
La bomba desactiva el modo auxiliar cuando el
porcentaje PID está por debajo del parámetro C10


3.13
La regulación PID de presión funciona
correctamente


3.14
Tiempos de alternancia entre bombas funcionan
correctamente (parámetro C1)


3.15
La representación gráfica, colores objetos
animaciones son correctas


3.16
El parámetro C3 funciona correctamente cuando
arrancan las bombas.






3
3.8
3.9
Tanque de Agua Fría
Las bombas se detienen según parámetro C5
(sobrepresión)
3.18 Las bombas se detienen según parámetro C7
3.17
Fuente: Autor
152
Tabla 6-4 Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento de las torres de
enfriamiento.
#
Elemento a comprobar
NO
SÍ












Tiempos de alternancia entre motores funcionan
correctamente


4.7
el parámetro D1 funciona correctamente cuando
arrancan los motores


4.8
los motores de las torres se detienen según
parámetro D2 y D3


La representación gráfica, colores objetos
animaciones son correctas
Fuente: Autor


4
Torres de Enfriamiento
4.1
Arranca el motor MO4.1 en modo manual
4.2
Arranca el motor MO5.1 en modo manual
4.3
Arranca el motor MO4.1 en modo automática
4.4
Arranca el motor MO5.1 en modo automática
4.5
Los motores se bloquean en modo mantenimiento
4.6
4.9
Tabla 6-5: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento general.
#
Elemento a comprobar
NO
SÍ


El botón de paro de producción funciona
correctamente


5.2
Arranca la bomba PC1.1 cuando se llena el
tanque de captación aún en paro de producción


5.3
La navegación en las diferentes pantallas aparece
correctamente


5.4
Los niveles de acceso de usuario funcionan
correctamente (admin, supervisor, operador)


5.5
La representación de los colores de baliza es
acorde al nivel advertencia.


5.6
Se mantiene una presión y temperatura constante
en el sistema


5.7
El botón de paro de emergencia deshabilita todas
las salidas de PLC.


5
5.1
General
Fuente: Autor
153
Como se observa, los elementos que se evalúan, están ligados a un
parámetro que se introduce desde la HMI, por lo que hubo que ir probando uno por
uno dentro de la interfaz gráfica para dar de alta cada elemento. A algunos rubros
se le tuvieron que hacer algunos cambios en el código en la interfaz producto de las
observaciones realizadas, según las observaciones del jefe de departamento para
aprobarlos.
6.2.2 Evaluación de los armarios eléctricos.
Tabla 6-6: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del armario principal de la
sección de almacenamiento y enfriamiento
#
1
Elemento a comprobar
Tablero eléctrico CP.10.01.00
NO
SÍ






1.1
Conformidad con las protecciones eléctricas
1.2
Conformidad según los planos
1.3
Las señales digitales y analógicas sin usar del
PLC están conectadas a borneras libres.


La conexión de masas es efectiva


1.5
Funcionamiento eléctrico [potencia]
1.6
Funcionamiento eléctrico [comando]




1.7
Los guardamotores tienen establecida la
intensidad de disparado según placa del motor


1.8
Se ha hecho un test de dispositivos de protección
para asegurar su funcionamiento.


1.9
el torque de apriete en los terminales está
asegurado










1.4
El etiquetado eléctrico de los cables está
debidamente colocados y marcados en el plano
1.10 eléctrico
El desconectador principal del sistema des
energiza totalmente las tres fases de la
1.11 alimentación eléctrica.
El relé de seguridad funciona correctamente con el
botón de reset y paro en la puerta principal del
1.12 tablero
El paro de emergencia des energiza la
1.13 alimentación de los contactores
154
La UPS entra en funcionamiento y alimenta el
PLC, HMI e instrumentación en caso de un corte
1.14 de corriente.
1.15 conformidad de dispositivos de manobra
La documentación técnica correspondiente se
1.16 encuentra en el armario
1.17 El alumbrado de la baliza funciona correctamente








Fuente: Autor
Tabla 6-7: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del armario remoto de la
sección de captación
#
Elemento a comprobar
NO
SÍ






Las señales de arranque en las bombas funcionan
correctamente


2,4
Las señales de ajuste de referencia de velocidad
funcionan correctamente


2,5
La conexión de masas es efectiva
2,6
Funcionamiento eléctrico [potencia]
2,7
Funcionamiento eléctrico [comando]






2,8
Los guardamotores tienen establecida la
intensidad de disparado según placa del motor


2,9
Se ha hecho un test de dispositivos de protección
para asegurar su funcionamiento


2,1
el torque de apriete en los terminales está
asegurado


El etiquetado eléctrico de los cables está
2,11 debidamente colocados y marcados en el plano
eléctrico


El desconectador principal del sistema des
2,12 energiza totalmente las tres fases de la
alimentación eléctrica.


El relé de seguridad funciona correctamente con el
2,13 botón de reset y paro en la puerta principal del
tablero






Tablero eléctrico CP.10.02.00
2
2,1
Conformidad con las protecciones eléctricas
2,2
Conformidad según los planos
2,3
2,14
El paro de emergencia des energiza la
alimentación de los contactores
2,15 conformidad de dispositivos de maniobra
155
2,16
La documentación técnica correspondiente se
encuentra en el armario


Fuente: Autor
Tabla 6-8: Matriz de evaluación para la comprobación de funcionamiento del armario remoto del
área de envasado
#
3
Elemento a comprobar
Tablero eléctrico CP.20.01.00
3,1
Conformidad con las protecciones eléctricas
3,2
Conformidad según los planos
3,3
3,5
La HMI asegura una conexión estable con el PLC
El torque de apriete de las borneras está
asegurado
La conexión con la baliza funciona correctamente.
3,6
La conexión de masas es efectiva
3,4
NO
SÍ














Fuente: Autor
Todos los elementos que aquí se evaluaron fueron realizados con el personal
de ingeniería del departamento, que dan fe del buen funcionamiento para asegurar
el buen funcionamiento de las condiciones de trabajo del proceso de recirculación
de agua y extracción de calor, logrando cumplir un 100 % de todos los elementos
evaluados tanto de los armarios eléctricos como del algoritmo.
En los anexos del 8 al 12 se muestra la evaluación que se hizo en campo para
dar de alta el proyecto.
6.3 Análisis de consumo de agua.
Para conocer el comportamiento del consumo de agua y de las pérdidas, se ha
programada un datalogging o un registro de datos en la HMI del comportamiento
del nivel del agua en el tanque de captación durante más de una semana. Se ha
156
hecho en este tanque, porque es que tiene el mayor riego de pérdida de agua,
debido a que en el algoritmo se definió que en última instancia este sería el tanque
que rebalsaría si el TAC y el TAF estuvieran llenos.
El gráfico de la ilustración 6.2 muestra el comportamiento que tuvo en promedio
con una tasa de muestreo 30 segundos.
Ilustración 6-2: Comportamiento de nivel del tanque de captación
Tanque de Captación
100
90
80
70
Nivel
60
50
40
30
20
10
0
00 04 08 14 18 22 02 06 10 14 18 23 03 07 11 15 19 23 03 07 11 15 19 23 03 07 11 15 19 23 03 07 11 15 19 23 03 07 11 15 19 00 04 08
01
02
03
04
05
06
07
08 09
12
Tiempo
Fuente: Autor
Este gráfico permite ver que las bombas han pasado oscilando entre ellas
para mantener el valor de consigna del 50 %, esto podría ser un indicador de que
las bombas necesitan tener una mayor capacidad de flujo, para estabilizar las
variaciones en el nivel, debido a que el valor de arranque de la bomba secundaria
que compensa la demanda está configurado para que encienda cuando el nivel
haya alcanzado un 75 % del nivel, sin embargo, se observa que hubo momentos
como en el 2 de diciembre y el día 7 de diciembre, que las bombas no pudieron
mantener la demanda del sistema, y el promedio subió, por lo que es un indicador
de posibles pérdidas de agua.
157
6.4 Análisis económico.
Para el análisis económico del sistema, se realizó un desglose del costo de cada
uno de los equipos mostradas a continuación.
6.4.1 Equipos + instalación.
Este apartado tiene todos los equipos que fueron comprados y los montos que
fueron cargados por concepto de mano de obra contratada por la empresa Nova
Electra.
158
Tabla 6-9: Costos de los equipos comparados y la instalación de los armarios para toda la automatización .
Ítem
Número de parte
1
2
3
CKF EV 001-2019
CKF 089…92-2019
CKF-JS 005-2019
4
5
6
CKF-JS 004-2019
CKF-JS 003-2019
-
7
DS7-342SX012N0-N
8
9
10
11
3SB3501
3SB3400
M22-K10
M22-K01
12
13
14
750102
BE850M2-LM
6EP 1334-3AB10
6AV2 124-0GC010AX0
6ES7 234-4HE300XB0
15
16
Contactores y guardamotores
Cableado de control de gabinetes
Eliminación de tubería y paneles en desuso
1
1
1
Precio
unitario
$1.271
$7.710
$283
Instalación de gabinete metálico.
Instalación de HMI Remota
Gabinete metálico (2X90X60) m
Arrancador suave EATON CH DS7-342SX012N0-N7 7,5 HP
480V
Botón iluminado Azul Siemens
Luz led blanca 24VDC Siemens
Contacto NO para botonera Siemens 3SB
Contacto NC para botonera Siemens 3SB
1
1
1
$401
$3.400
$2.000
$401
$3.400
$2.000
Cobybsa
2
$436
$872
Grupo Diez
1
1
2
1
$11
$6
$6
$216
$11
$6
$12
$216
Relé de seguridad PILZ PNOZ S2
UPS 850 VA 120V USB
Fuente Siemens SITOP PSU200M 24 V/10 A.
1
1
2
$310
$125
373
$310
$125
$746
HMI TP700 Comfort
2
$1.436
$2.872
SIMATIC S7-1200, analog I/O SM 1234, 4 AI/2 AO, +/-10 V, 14bit resolution, or 0-20 mA, 13-bit resolution
1
$590
$590
total
$20.824
Descripción
Cantidad
Fuente: Autor
Precio
neto
$1.271
$7.710
$283
Suplidor
Nova Electra
S.A
Embotelladora
AB Automation
159
El costo total de la automatización es de 20.824 USD, valor que está por debajo del monto destinado a este sistema
que son 80.000 USD. Este monto pudo haber sido mayor, pero, al haber decidido reutilizar algunos de los dispositivos que
había en los armarios eliminados, además de la instrumentación que había en el LMI, el PLC, algunos módulos y la mano
de obra de la programación de la interfaz y del algoritmo, se puedo hacer un ahorro que se muestra en la siguiente tabla.
6.4.2 Equipos reutilizados
Tabla 6-10: Costos de los equipos que se reutilizaron.
Ítem
Número de parte
1
1214C ACDCRLY
6ES7 223-1PH300XB0
6ES7 234-4HE300XB0
2
3
4
-
5
-
1
2
3
4
5
FMP54
G2S22A1
D-87484
D-87484
6
TS500
1
Precio
unitario
$590
Precio
neto
$590
1
$250
$250
1
$590
$590
1
$3.000
$3.000
1
$8.354
$8.354
Rosemount 2088 Pressure Transmitter
Cabezal TR10 Endress+Hauser
RTD TR10 Endress+Hauser
2
1
1
1
1
$2.500
$4.000
$1.276
$169
$211
$5.000
$4.000
$1.276
$169
$211
Cabezal Siemens Sitrans
2
$102
total
$204
$23.644
Descripción
Cantidad
CPU S7-1200 Siemens
Módulo de entrada y salida digitales Siemens
Módulos de entrada y salidas analógicas Siemens
Desarrollo de la programación en TIA portal de la
interfaz gráfica y la lógica de control
Uso de dispositivos de mando y comando de los
armarios eliminados
SITRANS Probe LR
Levelflex FMP54
Fuente: Autor
Suplidor
Embotelladora
160
El monto total ahorrado fue de 23.644 USD. Con esto, el costo de la
automatización significo usar solamente un 25 % del monto destinado a este sisma
(80.000 USD), por lo que quedarían 59.176 USD para otras actualizaciones y
modificaciones ajenas a los alcances de este proyecto.
6.5 Limitaciones del sistema.
Este proyecto presenta tres limitaciones importantes. Una es que, durante el
desarrollo e instalación de los nuevos armarios, hubo que tener comunicación y
autorización con el área de producción para des energizar todo el sistema, y poder
realizar el trazado del nuevo cableado de los armarios eléctricos sin afectar la
producción, por lo que hubo momentos en los que se tuvo que esperar una semana
hasta que hubiera un paro en las líneas de pasteurizado para realizar un cambio
importante sin afectar la producción. Las limitaciones de tiempo dieron cabida a que
los trabajos pagados a las empresas que brindaron el servicio del cableado de
control se les tuvieran que pagar por contrato y no por hora.
La segunda es que, una vez desarrollado el algoritmo de control en el
laboratorio, todas las pruebas de control, alarmas, advertencias, modos
automáticos, manuales entre otras pruebas físicas, se tuvieron que realizar con el
sistema en funcionamiento y sin afectar la producción, es decir, que hubo que
alternar las bombas para que estuviera siempre recirculando agua.
La tercera de las limitaciones que tiene el proyecto es que no se va a entrar en
detalle con el sistema de bombeo que ya está instalado, es decir, que errores que
no sean apreciables en el diseño del mismo no podrán ser detectados puesto que
el proyecto tiene objetivos de enfocarse en la parte de control eléctrico,
comunicación e instrumentación.
Puesto que el sistema de bombeo ya ha sido diseñado e instalado, la
participación de este proyecto en la parte mecánica del sistema es mínima, se podrá
hacer un estudio básico del sistema para observar la existencia de fallos a gran
161
escala, pero no se podrá hacer análisis de su comportamiento o de posibilidades de
ahorros energéticos en este sistema
Capítulo 7| Conclusiones y
Recomendaciones
163
7.1 Conclusiones
•
Se determinó que el funcionamiento del sistema con lógica de relé cableado
genera inseguridad y desconfianza a nivel de operación por la escasez en
recursos de monitoreo y control.
•
Se definió la totalidad de la instrumentación necesaria para la automatización.
•
El diseño de la nueva topología establecida para el protocolo de comunicación
Profinet permitió establecer comunicación con el sistema SCADA de la
embotelladora y con futuros equipos que se requieran introducir en el sistema.
•
Las funciones del algoritmo del controlador lógico programable cumplieron con
un 100 % de las tareas establecidas por los requerimientos de operación.
•
El nuevo diseño de la interfaz humano-máquina permite el monitoreo y control
total del proceso por parte de los operadores de envasado.
•
Se eliminaron todos los armarios con lógica de control cableada y se instaló
un nuevo armario eléctrico que centraliza y controla todas las señales del
proceso a través del PLC.
•
El desarrollo de la automatización permitió elevar notablemente la agilidad y
facilidades de operación por parte de los operadores, mejorando su lugar de
trabajo y la confiabilidad en el sistema.
•
Se realizó un manual de operación para que los operados tenga acceso a
consulta acerca de manejo de la interfaz gráfica.
164
Las conclusiones aquí dadas dieron satisfactoriamente solución a los
problemas que originaron este estudio.
165
7.2 Recomendaciones.
•
Respecto a los armarios eléctricos, se recomienda:
•
•
Agregar un sistema de ventilación en el armario principal.
A nivel de algoritmo del programa, se aconseja:
•
Mantener los respaldos del programa actualizados tanto de la interfaz
gráfica como de la lógica de control en una memoria externa.
•
Actualizar el programa a las últimas versiones de TIA portal, conforme
este se vaya renovando.
•
Para la instrumentación, se recomienda:
•
Realizar un plan de mantenimiento anual para calibrar el transmisor
de presión.
•
A los próximos ingenieros o técnicos que realicen proyectos o ampliaciones
futuras, se aconseja:
•
Mantener los diagramas eléctricos actualizados de acuerdo con los
cambios que se den en el sistema.
•
Seguir las normas de etiquetado establecidas para el sistema de
recirculación de agua y extracción de calor de los equipos en
diagramas P&ID, programación y planos eléctricos.
Capítulo 8| Referencias
bibliográficas
167
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Capítulo 9| Anexos
176
Anexo 1: Diagrama de flujo de la lógica de control con relés cableados.
Inicio
¿Maneta en
posición
manual?
No
Si
¿Es maneta
bomba B3?
Si
Activar
bomba B3
No
¿Es maneta
bomba B4?
Si
Activar
bomba B4
No
¿Es maneta
bomba B5?
Si
Activar
bomba B5
No
¿Es maneta
bomba B6?
Si
Activar
bomba B6
1
177
Anexo 2: Diagrama de flujo de la lógica de control con relés cableados.
1
Bomba B1, B2,
B3, B4, B5, B6
desactivadas
¿Maneta en
posición
automático?
No
Selector en
posición OFF
Torre 1 y 2
desactivadas
Si
Es maneta
bomba B3?
Es maneta
bomba B5?
Si
Si
Si
¿Tanque de
agua caliente
en nivel alto?
¿Tanque de
agua caliente
en nivel alto?
¿Tanque de
agua fría en
nivel alto?
No
¿Tanque de
agua caliente
en nivel bajo?
No
si
si
Activar
bomba B3
Activar
bomba B5
Si
Desactivar
bomba B3
.
Activar torre
enfriamiento 1
Activar Torre
enfriamiento 2
No
No
Es maneta
bomba B6?
No
Es maneta
bomba B4?
Si
¿Tanque de
agua fría en
nivel alto?
No
No
si
si
¿Tanque de
agua fría en
nivel bajo?
¿Tanque de
agua caliente
en nivel bajo?
¿Tanque de
agua fría en
nivel bajo?
Si
Si
Si
Desactivar
bomba B5
Desactivar
bomba B6
Desactivar
bomba B4
No
Activar bomba
B6
No
Activar
bomba B4
178
Anexo 3: Distribución de los equipos que componen el armario principal
179
Anexo 4: Manual desarrollado para los operadores de envasado.
180
Anexo 5: Página de la hoja de datos del fabricante para el montaje del sensor
Levelflex FMP54.
181
Anexo 6: Página de la hoja de datos del fabricante para el montaje del sensor Sitrans
Probe Lr.
182
Anexo 7: Configuración de los parámetros PID de presión y de nivel a través del
punto de acceso remoto en la puerta del armario CP.10.01.00.
183
Anexo 8: Revisión de algoritmo TC y TAC
184
Anexo 9: Revisión de algoritmo TAF y TE.
185
Anexo 10: Revisión de armario CP.10.01.00
186
Anexo 11: Revisión de armario CP.10.02.00 y CP.20.01.00
187
Anexo 12: Firma de recibimiento del proyecto.