IMPLEMENTACIN DEL PLC SIMATIC S7-1200, PANTALLA TCTIL Y COMUNICACIN ETHERNET CON EL MDULO DE TRANSPORTE HORIZONTAL DEL LABORATORIO DE CONTROL Y MANIPULACIN AUTOMTICA DE LA ESCUELA DE INGENIERA DE MANTENIMIENTO DE LA ESPOCH.

ngel Ren Ambi Miranda*, Carlos Efran Tanqueo Moreta

Facultad de Mecnica, ESPOCH, Riobamba - EcuadorAutores para correspondencia: Angel_Ambi7@yahoo.es

RESUMEN

Se ha implementado el PLC (Control Lgico Programable) S7-1200, pantalla tctil KTP600 PN Basic y comunicacin Ethernet al mdulo de transporte horizontal del Laboratorio de Control y Manipulacin Automtica de la Escuela de Ingeniera de Mantenimiento de la ESPOCH, con el fin de automatizar el proceso de transporte, mejorando las condiciones del mdulo en beneficio de los estudiantes que lo usarn.

Inicialmente, se realiz el anlisis del funcionamiento del mdulo de transporte, sus partes y estado tcnico, en el que se determin la necesidad de tareas de mantenimiento en el mdulo para alcanzar el estado funcional ptimo, en una tarea se implement una tarjeta de comunicacin electrnica.

Se elabor un mdulo de automatizacin para instalar los equipos a implementar y se instal una tarjeta de comunicacin electrnica para la conexin con el mdulo de transporte, en las tarjetas se conectan las entradas y salidas del PLC segn su diagrama de conexin. Para la comunicacin entre dispositivos se utiliz sus puertos PROFINET y la red industrial Ethernet del Compact Switch CSM1277.

Para la programacin de los equipos se realiza el diagrama GRAFCET, que describe las etapas del proceso y las variables que se asignaron en el TIA Portal V11, en donde se program los dispositivos en la interfaz STEP 7 con lenguaje KOP y la configuracin de la pantalla se la realiz en la interfaz WinnCC del software.

Finalmente se elabor manuales de operacin, seguridad y mantenimiento para los mdulos de transporte horizontal y de automatizacin, que servirn para conservar el buen estado de los equipos.

Palabras clave: Automatizar, control lgico programable, manuales, pantalla tctil.

ABSTRACT

Has been implemented the PLC (Programmable Logic Control) S7-1200, KTP600 PN basic touch screen and Ethernet communication to the horizontal transport of laboratory control module and automatic handling of the Maintenance Engineering School at ESPOCH, in order to automate the process of transport, improving the module conditions to benefit the students who will use it.

At the beginning was performed the analysis of the transport module function, its parts and technical condition, in which was determined the requirement of maintenance in the module to achieve the optimal functional state and an electronic card communication was implemented.An automation module was developed to install the equipment and an electronic card communication was installed to connect with the transport module, on the cards are connected the inputs and outputs from the PLC according to the connection diagram. For the communication between devices was used their PROFINET ports and the Ethernet network CSM1277 compact switch.

For the programming equipment was performed the GRAFCET diagram, which describes the stages of the process and the variables that were assigned in the TIA VI1 portal, where the device was programmed in the interface STEP 7 with KOP language and the display settings was done on the software interface WinnCC.

Finally was developed operating manuals, safety and maintenance for the horizontal transport modules and the automation, which will preserve the good condition of the equipments.

Keywords: Automate, programmable logic control, manuals, touch screen.

REVISTA CIENTFICA DE LA FACULTAD DE MECNICA-ESPOCH, Vol. 1, No. 1, 2014

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1. INTRODUCCIN

La automatizacin de procesos constituye una disciplina de ingeniera, ofrece ventajas tanto en el aspecto econmico como tecnolgico para la mecanizacin de los procesos industriales, representando para una industria la oportunidad de ser eficiente y competitiva. Las necesidades tecnolgicas del sector industrial moderno exigen el uso de nuevos dispositivos de automatizacin, tales como PLCs y paneles de visualizacin, debido a la capacidad operativa de estos dispositivos en relacin a su costo.

A travs de la formacin basada en el conocimiento cientfico y tecnolgico se implementa el PLC SIMATIC S7-1200 y la pantalla tctil; contribuyendo a la calidad en la formacin de los estudiantes, brindndoles la oportunidad de familiarizarse con sistemas de control automtico similares a los existentes en las industrias.

En la seccin 2, se describe las caractersticas de los dispositivos que se implementaran tanto al mdulo de automatizacin como al mdulo de transporte horizontal permitiendo optimizar recursos a los estudiantes.

En la seccin 3, se expondrn los resultados del proceso de evaluacin, implementacin y comunicacin entre mdulos, la seccin 4, contiene un anlisis de las consideraciones para la operacin de los equipos.

2. MTODO Y MATERIALES

El desarrollo de la metodologa empleada en la implementacin nuevos equipos al mdulo de transporte horizontal se bas en la investigacin descriptiva apoyada con herramientas de observacin, experimentacin y descripcin de los diferentes equipos empleados en el proyecto.

Software TIA Portal V11El TIA Portal (Automatizacin Totalmente Integrada) es un sistema de ingeniera totalmente integrado que facilita la programacin a travs de la interfaz de usuario SIMATIC STEP 7 y SIMATIC WinnCC, proporciona lenguajes de programacin estndar KOP, FUP y SCL, que permiten desarrollar de forma cmoda y eficiente el programa de control de los dispositivos del proyecto como controladores y paneles HMI. El programa de usuario puede emplear bloques lgicos creados con cualquiera de los leguajes mencionados anteriormente.

La interfaz de usuario WinnCC sirve para el diseo y ejecucin de la visualizacin de procesos. (SIEMENS, 2011)

Figura 1. Software TIA PORTALV11

PLC SIMATIC S7-1200El controlador S7-1200 ofrece un diseo compacto, configuracin flexible y un amplio juego de instrucciones, idneo para controlar una gran variedad de aplicaciones.

Incorpora un microprocesador, fuente de alimentacin integrada, circuitos de entrada y salidas, PROFINET integrado, E/S de control de movimiento de alta velocidad, entradas analgicas incorporadas, formando as un potente controlador.

Figura 2. PLC SIMATIC S7-1200

Pantalla tctil HMILa visualizacin de procesos cada vez ms se ha convertido en un componente estndar de la mayora de mquinas o sistemas de automatizacin.Es un tipo de panel con funciones bsicas con pantalla tctil de seis pulgadas a color o monocromo y seis teclas tctiles, compatibles con otros dispositivos mediante comunicacin va Ethernet estndar a travs del puerto PROFINET integrado. Utiliza la interfaz HMI (Interfaz hombre mquina) entre la persona.Es decir el operador y el proceso que se controla ya sea mquina o sistema. El panel ha sido diseado para ser utilizado exclusivamente en entornos industriales.

Figura 3. Pantalla tctil KTP600

Mdulo CSM 1277El compact switch CSM 1277 cuenta con un pasacables para el bus de la pared posterior, el dispositivo se tiene que montar al principio o al final de la estacin o mdulo S7-1200.

Los protocolos de comunicacin posibles con SIMATIC S7-1200 son:

Industrial Ethernet / PROFINET (Puerto Integrado), Profibus Maestro / Esclavo, Modbus RTU, Modbus TCP (Puerto Integrado), USS, GSM / GPRS, AS-Interface.

Figura 4. Mdulo de comunicacin RS23

Diagnstico del mdulo de transporteMediante una revisin visual y comprobacin del funcionamiento de cada elemento a travs de pruebas elctricas y neumticas se evala el estado del mdulo, determinando la necesidad de realizar tareas de mantenimiento para alcanzar el estado ptimo de funcionamiento, ya que al momento de la revisin el mdulo no poda ser utilizado.

Figura 5. Estado inicial del mdulo de trasporte Horizontal.

3. RESULTADOS

Sistema estructural Luego de realizar una inspeccin y comprobacin del estado de la estructura y elementos de sujecin se determina el correcto funcionamiento de cada uno de ellos, realizando tareas de limpieza y reajuste.

Sistema neumticoSe realiz pruebas de funcionamiento de las electrovlvulas, actuador giratorio, cilindro neumtico, ventosa, bomba de vaco, presostato, determinando un correcto funcionamiento, se realizaron ajustes y calibracin en los dispositivos antes mencionados.Sistema elctricoSe verific el funcionamiento de los diferentes dispositivos como sensores, pulsadores, lmparas, rel, cableado, etc. Luego de su respectiva comprobacin se determina la necesidad de cambiar los dispositivos que cumplieron con su vida til e implementar una tarjeta electrnica para la comunicacin con los dispositivos de automatizacin.

Tareas de mantenimiento realizadas al mdulo de transporte. Una vez efectuada la revisin y determinado el estado tcnico de los componentes y el mdulo en general, se realizan acciones de mantenimiento para devolver la funcionalidad al mdulo de transporte, mejorando tambin la visualizacin del proceso sin afectar las caractersticas del mismo.

Figura 6. Estado final del mdulo de transporte

Implementacin del mdulo de automatizacinEl mejoramiento en el funcionamiento del mdulo de transporte requiere el diseo y construccin de un nuevo mdulo para el montaje de los equipos de control automtico, el mdulo de automatizacin construido permite la introduccin de programas desarrollados en un software al PLC y a la pantalla tctil.

El programa introducido se desarrolla en el TIA Portal, en un lenguaje de programacin entendible para los equipos de control y la comprobacin del funcionamiento se realiza conectando las entradas y salidas correspondientes del mdulo de transporte para visualizar el control automtico del proceso de distribucin de piezas.

El diseo del mdulo debe cumplir requerimientos didcticos que garanticen el correcto desarrollo de prcticas de laboratorio.

Figura 7. Mdulo de automatizacin

Programacin del mdulo de automatizacinConfigurados los dispositivos de automatizacin en el TIA Portal se realiza la programacin del mdulo, para lo cual se requiere asignar las variables que se utilizarn en el software de programacin de acuerdo a los dispositivos y a la secuencia de funcionamiento del mdulo de transporte.

Diseo del GRAFCETPara describir grficamente la secuencia del proceso de transporte, se elabora diagramas GRAFCET en dos niveles, elaborados en funcin del grado de detalle del proceso, a partir de estos diagramas se programar los dispositivos en las interfaz STEP 7 del TIA Portal, utilizando lenguaje de programacin KOP.

Figura8. Diseo del GRAFCET

Diseo de la pantalla tctil HMIEn la interfaz WinnCC se crea una imagen o pantalla inicial, en esta pantalla se agregan datos informativos del proyecto, autores e institucin. Adems, de los botones para acceder mediante un solo pulso a las pantallas de control automtico y control manual del mdulo de transporte.

Figura 9. Diseo de la pantalla de control automtico.

El botn de control manual est configurado para que al pulsarlo se encienda la lmpara de inicio, indicando as el estado de encendido del mdulo de transporte.

Figura 10. Diseo de la pantalla tctil HMI.

Anlisis de CostosLos elementos que interviene para el clculo de los costos de produccin total del proyecto son los siguientes:

Dnde:= Costos de produccinMPD= Material o materia prima directaMOD= Mano de obra directaCIF= Costos indirectos de fabricacin

El anlisis muestra una diferencia de los costos de produccin entre el sector industrial y el sector estudiantil de 1281,69 UDS adquiriendo los equipos mediante kit y teniendo en cuenta que por ser un aporte al desarrollo de la educacin no se toma en cuenta la mano de obra directa para el sector estudiantil.Tabla1. Anlisis de costosDescripcinCosto total

Costos de produccin en el sector industrial3484,73 UDS

Costos de produccin en el sector estudiantil2203,04 UDS

4. DISCUSIN

La conexin elctrica del mdulo de transporte solamente se debe hacer a una red de alimentacin de 24 V DC. La conexin elctrica del mdulo de automatizacin slo se har a una red de 120 V AC, 80 mA, 50/60 Hz.

Para la presin de trabajo, se debe suministrar aire comprimido siempre a travs de una unidad de mantenimiento que se regula para una presin de 5 bares, en la presin mxima no se debe alcanzar un valor de 10 bares, el hacerlo pondr en riesgo los elementos del mdulo y la seguridad personal.

Tareas de revisin, montaje y desmontaje de elementos de los mdulos se los har solamente desconectando el suministro de energa elctrica al igual que el de aire comprimido, nunca se debe manipular partes del mdulo mientras est en funcionamiento.

Para desconectar las mangueras de aire comprimido se debe primero realizar purgas a travs de las vlvulas.

5. CONCLUSIONES

Se realiz un reconocimiento del mdulo de transporte horizontal, sus partes principales y el estado tcnico del mdulo, determinando que se encontraba en mal estado y era necesario realizar tareas de mantenimiento que permitan devolver las condiciones de funcionamiento al mdulo.

Se determin que el mdulo de transporte horizontal ha sido diseado con el fin de simular un proceso de transporte de piezas desde una torre de almacenamiento hasta una posicin final de descarga, utilizando equipos de control y actuadores neumticos, similares al de uso industrial.

Se ha determinado que el PLC S7-1200 es un controlador de diseo compacto, configuracin flexible y amplio campo de instrucciones, mientras que la pantalla es un panel KTP600 PN Basic, cuenta con un panel tctil a color y seis teclas tctiles, ambos dispositivos poseen puerto PROFINET integrado, para su comunicacin.

Se realiz la programacin de PLC S7-1200 y la pantalla tctil mediante el software TIA Portal V11, utilizando la interfaz STEP 7 Basic para la configuracin de dispositivos en lenguaje de programacin KOP y la interfaz WinnCC Basic para el diseo de la pantalla tctil.

Se realiz la comunicacin entre los dispositivos PLC S7-1200 y la pantalla tctil, utilizando los puertos PROFINET integrados en cada dispositivo y una red de comunicacin industrial Ethernet, formada por el mdulo Compact Switch CSM1277.

Se elaboraron guas de operacin, incluyendo las medidas de seguridad requeridas en el uso de los equipos y guas de mantenimiento para los mdulos de transporte horizontal y automatizacin, elaboradas en base a la informacin tcnica de los equipos.

RECONOCIMIENTOS

Un agradecimiento especial a la Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, a la Facultad de Mecnica, a la Escuela de Ingeniera de Mantenimiento y a sus maestros quienes con sus conocimientos y enseanzas han sembrado en nosotros una actitud de compromiso y perseverancia para enfrentar los retos del futuro, dejndonos el legado de ser profesionales de xito.

BIBLIOGRAFA

SIEMENS. 2009. Compact Switch Module CSM 1277 Instrucciones de servicio. Nrnberg: CoryeigthSiemens AG, 2009. pg. 36. A2B00079397E.SIEMENS. 2012. Easy Book Manual del producto. Nrnberg: Copyright Siemens AG, 2012. pg. 324. 6ES7298-8FA308DH0.SIEMENS. 2010. SIMATIC HMI Paneles Instrucciones de servicio. Nrnberg: Copyright Siemens AG 2009., 2010. pg. 154. A5E02421816-02.SIEMENS. 2012. SIMATIC S7-1200 Manual de sistema. Nrnberg: Copyright Siemens AG 2009., 2012. pg. 912. 6ES7298-8FA30-8DH0.SIEMENS. 2011. SIMATIC STEP 7 Basic V11.0 SP1. Nrnberg: CopyrightSiemens AG, 2011. pg. 3286.