UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE QUITO …dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/11610/1/UPS - ST002116.pdf · desarrollo de un sistema de supervisiÓn, control AUTOMÁTICO

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

SEDE QUITO

CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Trabajo de titulación previo a la obtención del título de: INGENIERA E

INGENIERO ELECTRÓNICO

TEMA:

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN, CONTROL

AUTOMÁTICO DE SUMINISTRO Y LIMPIEZA EN UN TANQUE DE

LECHE PARA UN PROYECTO DE SERVICIO DE LA EMPRESA SEIUS.

AUTORA Y AUTOR:

EDITH CATHERINE CARRERA ONOFRE

DIEGO ANTONIO SARABIA TRUJILLO

TUTOR:

JUNIOR RAFAEL FIGUEROA OLMEDO

Quito, diciembre de 2015

DEDICATORIA

Dedico este proyecto a Dios por todas las bendiciones que eh recibido a lo largo de mi

vida. Quién como tu Jehová tu amor es infinito, tus manifestaciones son magníficas

solo quién cree en ti y sigue de tu mano nunca esta desamparado.

A mis padres y hermanitos quienes con todo su amor han estado inculcándome valores

y ayudándome a seguir en los buenos y malos momentos; gracias por ser un pilar

fundamental en mi vida, por la paciencia, respaldo, esfuerzo, dedicación, confianza,

apoyo, superación que siempre me han ofrecido.

A mi esposo por ser un gran hombre y formar parte de mi vida, gracias por el amor, la

paciencia, los consejos, el respaldo que siempre me brindas; tan maravillada y

orgullosa estoy de dedicarte y agradecerte inmensamente todos los esfuerzos que haces

por mí. A mi pequeño hijito por su ternura y su entendimiento al respaldarme en todo

este proceso.

Los amo con todas las fuerzas de mi corazón

Edith Catherine Carrera Onofre

AGRADECIMIENTO

Agradecemos a la Universidad Politécnica Salesiana, por brindarnos conocimientos

científicos a lo largo de nuestra carrera, con la ayuda de profesionales capacitados en

diversas áreas, facilitando la culminación exitosa de nuestra carrera estudiantil.

A nuestro tutor Ing. Junior Figueroa, por aportar con todo su entusiasmo,

conocimiento y experiencia durante todo el proceso y desarrollo de éste proyecto

técnico. Para usted nuestro sincero agradecimiento.

A nuestra lectora Ing. Johana Celi, por brindarnos su ayuda para lograr la consecución

del proyecto. Nuestra consideración y agradecimiento.

Al personal docente y administrativo que marcaron cada etapa de nuestro camino

universitario.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1 .............................................................................................................. 2

1.1 Planteamiento del problema .................................................................................... 2

1.2 Justificación ............................................................................................................ 3

1.3 Objetivos................................................................................................................. 3

1.3.1 Objetivo general ................................................................................................... 3

1.3.2 Objetivo específicos ............................................................................................. 3

CAPÍTULO 2 .............................................................................................................. 5

DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS ........................................ 5

2.1 Diagramas esquemáticos del proceso y equipos ....................................................... 5

2.2 Elementos neumáticos y electro-neumáticos ............................................................ 7

2.2.1 Unidad de mantenimiento FRC Serie D ................................................................ 8

2.2.2 Válvula de mariposa ............................................................................................. 9

2.2.3 Válvula de asiento .............................................................................................. 10

2.2.4 Electroválvula MFH ........................................................................................... 11

2.2.5 Perfil distribuidor ............................................................................................... 12

2.3 Sensor ultrasónico UM30-215113 ......................................................................... 13

2.4 Autómata programable y módulos de expansión .................................................... 14

2.4.1 PLC Twido TWDLMDA20DRT ........................................................................ 14

2.4.2 Módulo de expansión analógico TWDAMI2HT ................................................. 16

2.5 Pantalla táctil ........................................................................................................ 17

2.5.1 Magelis XBTGT2330 ......................................................................................... 17

2.6 Dispositivos electrónicos de control ...................................................................... 18

2.6.2 Guarda motor LRD16. ........................................................................................ 19

2.7 Elementos auxiliares ............................................................................................. 20

2.7.1 Contactor LC1D12M7 ........................................................................................ 20

2.7.2 Relé auxiliar RXM4AB1BD............................................................................... 21

2.7.3 Selector XB4BD33............................................................................................. 22

2.7.4 Luz piloto XB4BVM3 ........................................................................................ 23

2.7.5 Pulsador de marcha y paro rectangular XB4BL73415......................................... 24

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................ 25

DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN ............................................................... 25

3.1 Diseño del sistema de control ................................................................................ 25

3.2 Diagramas de conexión ......................................................................................... 26

3.2.1 Diagramas eléctricos .......................................................................................... 27

3.2.1.1 Diagrama de alimentación ............................................................................... 27

3.3 Montaje de equipos ............................................................................................... 31

3.3.1 Tablero de control .............................................................................................. 31

3.3.2 Tablero de electroválvulas .................................................................................. 33

3.4 Flujogramas del proceso ........................................................................................ 33

3.5 Diseño del HMI .................................................................................................... 36

3.6 Configuración del sensor de nivel.......................................................................... 41

3.6.1 Calibración de la señal analógica ........................................................................ 41

3.6.2 Escalamiento de la señal analógica ..................................................................... 42

3.7 Configuración de la red Modbus ........................................................................... 50

3.7.1 Configuración de los parámetros Modbus en el PLC .......................................... 50

3.7.2 Configuración de los parámetros Modbus en la pantalla táctil magelis ................ 51

CAPÍTULO 4 ............................................................................................................ 52

PRUEBAS Y RESULTADOS................................................................................... 52

4.1 Pruebas y resultados de la medición del nivel leche .............................................. 52

4.1.1 Pruebas de la señal analógica.............................................................................. 52

4.1.2 Mediciones obtenidas en el campo ..................................................................... 54

4.1.3 Margen de error de los datos obtenidos............................................................... 56

CONCLUSIONES .................................................................................................... 58

RECOMENDACIONES ........................................................................................... 60

LISTA DE REFERENCIAS ..................................................................................... 61

ANEXOS ................................................................................................................... 62

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Diagrama esquemático ................................................................................. 5

Figura 2: Estructura metálica de los tanques ................................................................ 7

Figura 3: Unidad de mantenimiento ............................................................................ 8

Figura 4: Válvula mariposa ......................................................................................... 9

Figura 5: Válvula de asiento ...................................................................................... 10

Figura 6: Electroválvula ............................................................................................ 11

Figura 7: Perfil distribuidor ....................................................................................... 12

Figura 8: Sensor ultrasónico ...................................................................................... 13

Figura 9: PLC Twido ................................................................................................ 15

Figura 10: Módulo analógico .................................................................................... 16

Figura 11: Pantalla táctil ........................................................................................... 17

Figura 12: Variador de frecuencia ............................................................................. 19

Figura 13: Guarda motor ........................................................................................... 20

Figura 14: Contactor ................................................................................................. 21

Figura 15: Relé ......................................................................................................... 22

Figura 16: Selector .................................................................................................... 22

Figura 17: Luces ....................................................................................................... 23

Figura 18: Pulsador marcha/paro ............................................................................... 24

Figura 19: Diagrama de componentes del sistema ..................................................... 25

Figura 20: Simbología eléctrica ................................................................................. 27

Figura 21: Circuito de alimentación del PLC y pantalla táctil magelis ....................... 28

Figura 22: Diagrama de salidas digitales de las electroválvulas ................................. 29

Figura 23: Diagrama entrada digital .......................................................................... 29

Figura 24: Circuito de potencia ................................................................................. 30

Figura 25: Esquema neumático ................................................................................. 31

Figura 26: Distribución de los equipos en el tablero de control .................................. 32

Figura 27: Ubicación magelis .................................................................................... 32

Figura 28: Distribución de equipos en el tablero de electroválvulas ........................... 33

Figura 29: Diagrama de flujo de control del sistema .................................................. 34

Figura 30: Subrutina de arranque automático ............................................................ 34

Figura 31: Subrutina de arranque manual .................................................................. 35

Figura 32: Pantalla de presentación magelis .............................................................. 36

Figura 33: Panel ciclo de lavado................................................................................ 37

Figura 34: Ciclo de lavado ........................................................................................ 37

Figura 35: Tiempos de lavado ................................................................................... 38

Figura 36: Panel de procesos ..................................................................................... 39

Figura 37: Proceso tanque L6 .................................................................................... 39

Figura 38: Proceso tanque L4 .................................................................................... 40

Figura 39: Calibración sensor ultrasónico .................................................................. 40

Figura 40: Panel de mantenimiento ........................................................................... 41

Figura 41: Gráfica lineal Litros vs Corriente ............................................................. 43

Figura 42: Gráfica lineal Corriente vs Word .............................................................. 46

Figura 43: Gráfica lineal Litros vs Word ................................................................... 47

Figura 44: Procesamiento de la señal analógica ......................................................... 48

Figura 45: Escalamiento de la señal .......................................................................... 49

Figura 46: Configuración red Modbus ....................................................................... 50

Figura 47: Configuración PLC .................................................................................. 50

Figura 48: Configuración pantalla táctil .................................................................... 51

Figura 49: Linealización Distancia vs Corriente ........................................................ 54

Figura 50: Pruebas de calibración.............................................................................. 55

Figura 51: Porcentaje de error ................................................................................... 57

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Caracterización unidad de mantenimiento ..................................................... 9

Tabla 2: Caracterización válvula de mariposa festo ................................................... 10

Tabla 3: Caracterización válvula de asiento festo ...................................................... 11

Tabla 4: Caracterización electro-válvula MFH de festo ............................................. 12

Tabla 5: Caracterización perfil distribuidor de festo .................................................. 13

Tabla 6: Caracterización sensor ultrasónico ............................................................... 14

Tabla 7: Caracterización PLC Twido TwdLDMA20DRT.......................................... 15

Tabla 8: Caracterización Módulo de expansión TWDAMI2HT ................................. 16

Tabla 9: Caracterización magelis XBTGT230 ........................................................... 18

Tabla 10: Caracterización variador de frecuencia ATV61HD22N4 ........................... 19

Tabla 11: Caracterización guarda motor LRD16 ....................................................... 20

Tabla 12: Caracterización contactor LC1D12M7 ...................................................... 21

Tabla 13: Caracterización relé auxiliar RXM4AB1BD .............................................. 22

Tabla 14: Caracterización selector XB4BD33 ........................................................... 23

Tabla 15: Caracterización luces piloto XB4BVM3 .................................................... 23

Tabla 16: Caracterización pulsador XB4BL73415..................................................... 24

Tabla 17: Obtención de datos esperados .................................................................... 49

Tabla 18: Mediciones ideales .................................................................................... 53

Tabla 19: Mediciones obtenidas en el campo ............................................................ 55

Tabla 20: Cálculo del porcentaje ............................................................................... 56

RESUMEN

El presente proyecto es un servicio que brinda la empresa SEIUS S. A. quienes

financiaron en su totalidad los equipos para el desarrollo del mismo, el cual tiene por

objeto la implementación de un sistema automático de lavado de los tanques de

almacenamiento de leche y el montaje de un sistema de supervisión del contenido de

leche en uno de los tanques.

Para esto se utilizó equipos de control neumáticos entre estos 6 electroválvulas para el

control de los actuadores (3 válvulas mariposa para el lavado del interior del tanque y

3 válvulas de asiento para lavar las tuberías), además cuenta con un autómata

programable PLC que conectado en comunicación Modbus con una pantalla táctil

(Magelis) sirve para el accionamiento de los actuadores del sistema; la pantalla táctil

tiene la función de controlar todo el sistema de lavado y configurar los tiempos para

ejecutar el proceso tanto en automático como en manual, además de visualizar el

contenido de leche en uno de los tanques, para lo cual se utilizó un sensor ultrasónico

con la linealización de su señal analógica de 4 a 20mA y se logró obtener la relación

de su señal de corriente.

Se diseña un HMI para realizar el control y monitoreo del sistema, así como para

guardar datos históricos para que el operador tenga acceso al mismo. Se procura

conseguir con dicha HMI que las personas que trabajan optimicen tiempo en los

procesos y se tenga un funcionamiento correcto.

ABSTRACT

This project is a service by the company Seius S.A. who financed in full equipment for

its development, which aims to implement an automated system washing the milk

storage tank and installation of a monitoring of the content of one of the milk tanks.

For this equipment pneumatic control was used between these 6 solenoid valves for

controlling the actuators (3 butterfly valves for washing the inside of the tank and 3

poppet valves to flush the lines), also, it has a programmable controller PLC connected

in Modbus communication with a touch screen (Magelis) serves for driving the

actuators of the system; the Magelis touch screen has the function of controlling the

entire washing system and set the times to run the process in both automatic and

manual as well as view the content of milk in one of the tanks, for which an ultrasonic

sensor was used the linearization of the analog signal of 4-20mA and was able to

obtain the ratio of its current signal.

The HMI is designed for controlling and monitoring system such as to keep historical

data for the operator to have access to it. It seeks to achieve with this HMI in which

people optimize working time in the processes and proper operation will have.

1

INTRODUCCIÓN

En la actualidad el desarrollo de la tecnología ha hecho posible el monitoreo y

control de procesos, facilitando su manejo y optimizando tiempo.

El desarrollo del trabajo se distribuyó de la siguiente manera:

En el primer capítulo se presenta la estructura del proyecto en general, dando a

conocer el planteamiento del problema, los objetivos, la justificación y descripción

del proyecto planteado.

En el segundo capítulo se describen las generalidades del proyecto, fundamentos

teóricos importantes para el desarrollo del proyecto técnico. Así mismo se dará a

conocer las características de los equipos utilizados que son de utilidad dentro del

proceso.

El capítulo tres contiene el desarrollo e implementación del proyecto planteado,

presenta la explicación del algoritmo de control que se diseñó para el PLC. Además

se muestra las pantallas del HMI para cada proceso, con sus diferentes funciones.

Finalmente en el capítulo cuatro se muestran las pruebas y resultados del

funcionamiento del proyecto junto con los porcentajes de error, así como las

conclusiones y recomendaciones que se generó en el transcurso de su elaboración.

2

CAPÍTULO 1

1.1 Planteamiento del problema

El proceso de mantenimiento y limpieza en los tanques de distribución de leche,

presenta la siguiente problemática:

Debido al incremento en la producción y la inexistencia de un lugar de

almacenamiento de materia prima, ha visto en la necesidad de implementar un nuevo

tanque de almacenamiento y suministro de leche, el cual incorpore un sistema de

monitoreo de nivel y lavado automático que permita controlar los procesos en el

interior de los tanques y la tubería de suministro para evitar el desperdicio de

material.

Adicional a este proceso se añadirá un sistema de supervisión de nivel de leche; es

por esta razón que para la implementación de este proyecto se solicitará los servicios

de la empresa SEIUS S.A. quienes han brindado mantenimiento por más de 5 años.

Este proceso permitirá el aumento en la producción, disminución del tiempo de

respuesta a la demanda y reducción de costos obteniendo eficiencia en el trabajo,

generando beneficios y precisión.

¿En que beneficia la instalación del sistema de lavado automático a la Empresa con

respecto a su producción?

El sistema de lavado automático propuesto en este proyecto no solo beneficia

económicamente a la Empresa, reduciendo el gasto excesivo de químicos y agua para

el lavado de los tanques de almacenamiento de leche y el tiempo que lleva hacer este

trabajo; también beneficia al medio ambiente porque al contar con un sistema

automático de lavado no existe desperdicio innecesario de agua.

Además lo que se espera con el proceso automático de lavado es reducir los costos en

el consumo de energía eléctrica producido por el tiempo que están encendidas las

bombas del sistema.

3

El desarrollo de planos, documentación, diseño y programación del control del

sistema de lavado y monitoreo del nivel de leche se llevará a cabo en la Empresa

SEIUS S.A.

1.2 Justificación

La Empresa encargada de la producción de lácteos, en los últimos tiempos ha

incrementado sus niveles de venta, por lo cual se ha visto en la necesidad de

implementar un nuevo tanque de almacenamiento de leche e instalar un sistema

automático de lavado y supervisión del contenido debido a que cuentan con un

mecanismo de medición obsoleto e inexacto. En este contexto recurre a la Empresa

SEIUS S.A. para ejercer el trabajo de control.

El presente proyecto tiene la finalidad de implementar un sistema automático de

lavado y monitoreo para los tres tanques de almacenamiento de leche y supervisión

del nivel para el nuevo tanque, de esta forma cumplir con las necesidades que tiene el

cliente; tanto en la reducción de costos de insumos de lavado y tiempo del operador.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo general

Desarrollar un sistema de supervisión, control automático de suministro y limpieza

en un tanque de leche para un proyecto de servicio de la empresa SEIUS.

1.3.2 Objetivo específicos

Dimensionar los equipos tanto hardware y software que se emplearán para el

proceso de control y monitoreo.

Diseñar los diagramas de conexiones eléctricos, electrónicos y neumáticos

para generar los planos e informes del proyecto.

4

Desarrollar la automatización del proceso de llenado y limpieza mediante la

configuración y programación de los equipos que intervienen en el sistema de

control.

Implementar un HMI mediante la programación de una pantalla táctil

Magelis que permita al usuario configurar los tiempos y ciclos de lavado

como también visualizar el nivel de leche en el nuevo tanque.

Realizar las pruebas de funcionamiento, para verificar que el proceso trabaje

según las especificaciones solicitadas.

5

CAPÍTULO 2

DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS

En el presente capítulo se detalla las características principales de los equipos

utilizados para la implementación y automatización del proceso, así como los

elementos complementarios que intervienen en la elaboración del proyecto.

2.1 Diagramas esquemáticos del proceso y equipos

Figura 1: Diagrama esquemático

Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Como se muestra en el diagrama esquemático Figura 1 se tendrá un sensor

ultrasónico ubicado en el tanque L4 para la medición del nivel de leche el cual envía

una señal analógica de 4 a 20mA hacia el controlador (PLC), este se encarga de

procesar la señal para luego ser visualizada en la pantalla táctil magelis.

Adicionalmente se contará con un selector (unidad de mando) para posicionar al

sistema en control automático o manual; de esta forma el operador puede activar la

6

bomba para el control de lavado manualmente o realizar el lavado automático

permitiendo que el PLC sea el único que active la bomba.

En el tablero de control se realizará la conexión de una red Modbus entre la pantalla

táctil y el PLC para el control automático del lavado de los tanques y la visualización

del nivel de leche en el tanque L4. Desde la pantalla táctil Magelis se pueden realizar

las configuraciones de los tiempos de lavado automático y la activación de las

electroválvulas manualmente.

Además, se encuentran los pre-actuadores entre estos están los relés de activación

eléctrica y mando eléctrico; las electroválvulas de activación eléctrica y mando

neumático y el variador de frecuencia para el arranque suave de la bomba de succión

de material de lavado.

Las salidas del PLC se encuentran programadas para activar temporalmente a los

relés que comandan cada una de las electroválvulas pertenecientes a los actuadores;

se tendrán seis salidas tipo relé y una tipo transistor que funcionan con voltaje DC

la cuál es utilizada para activar el relé que comanda el pulso de arranque del variador

de velocidad de la bomba.

Por último se puede observar los actuadores que son los que finalmente realizan las

acciones del proceso automático, entre estas están las válvulas de asiento y válvulas

de mariposa las cuales se encargan de lavar la tubería y el interior del tanque

respectivamente, en tiempos alternados configurables; y la bomba de capacidad de

7.5 HP para succionar el agua y material de lavado tanto de los tanques como de la

tubería y enviarla a la planta de tratamiento de agua.

Visualización de la planta.

En la Figura 2 se puede observar de manera real la posición de los tanques que se van

a automatizar realizando todos los estudios tanto en hardware y software para tener el

funcionamiento e implementación adecuado del control y monitoreo del mismo.

7

Figura 2: Estructura metálica de los tanques


2.2 Elementos neumáticos y electro-neumáticos

Son sistemas que utilizan el aire comprimido como medio para la transmisión de

señales, necesarias para hacer mover y funcionar mecanismos automatizados.

Debido a que el sistema necesita de actuadores de gran velocidad para el proceso

cíclico de lavado se utilizará equipos electro-neumáticos cuyas características

cumplen con estos requisitos; en comparación con un sistema hidráulico con el que

químicamente se ganaría fuerza y no velocidad.

Dentro de los elementos neumáticos y electro neumáticos es importante reconocer la

cadena de mando a cumplir para elaborar un correcto esquema de conexiones, por tal

motivo con las exigencias del presente proyecto se trabajará con la marca Festo que

es uno de los mejores proveedores dentro de esta rama.

8

A continuación se muestran la lista de selección de los equipos neumáticos y electro-

neumáticos de la marca Festo:

Unidad de Mantenimiento FRC Serie D.

Válvula de Mariposa.

Válvula de Asiento.

Electro-válvula MFH.

Perfil distribuidor.

2.2.1 Unidad de mantenimiento FRC Serie D

Se utilizará una unidad de mantenimiento Figura 3 de 1-16 bares puesto esta que es

la presión máxima de aire comprimido que requieren las válvulas para su

funcionamiento. Esta será instalada en la parte posterior del tablero electro-

neumático y servirá para regular el caudal del aire comprimido que viene desde el

compresor hasta el perfil de distribución.

Figura 3: Unidad de mantenimiento

Fuente: Festo

En la tabla 1, se describen las características técnicas de la unidad de mantenimiento

FRC Serie D de Festo la misma que sirve para regular el caudal de aire.

9

Tabla 1: Caracterización unidad de mantenimiento


2.2.2 Válvula de mariposa

Se instalará una válvula mariposa Figura 4 en la parte superior de los tanques L4, L5,

L6 para abrir y cerrar el paso del material de lavado hacia el interior del tanque; este

tipo de válvula tiene la ventaja que bloquea el ingreso de agua al interior del tanque

debido a que es normalmente cerrada, es decir, no necesita presión de aire para

mantenerla cerrada.

Figura 4: Válvula mariposa

Fuente: Festo

En la tabla 2 se describen las características técnicas de la válvula de mariposa.

Parámetro Descripción

Nombre Técnico Unidad de mantenimiento

Serie o Número de equipo FRC serie D

Marca FESTO

Cantidad 1

Clase de pureza del aire en la salida Aire comprimido con grado de filtración 5um

Caudal 80 a 8700 1/min

Presión de Funcionamiento 1 a 16 bar

Temperatura 10 a 60˚C

Indicador de la presión Por manómetro

10

Figura 5: Válvula de asiento

Fuente: Festo

Tabla 2: Caracterización válvula de mariposa festo


2.2.3 Válvula de asiento

Esta válvula se situará en la parte superior de la tubería y permitirá el ingreso del

material de lavado hacia los tanques L4, L5, L6 con la finalidad de realizar el lavado

de la tubería de distribución de leche.

La válvula de asiento Figura 5 se encuentra inicialmente abierta de tal forma que

permita el desfogue del agua sin la necesidad de alguna activación neumática, es por

ello que se cuenta con un mecanismo seguro contra la presión de agua.

En la tabla 3, se describen las características técnicas de la válvula de asiento,

ubicadas en la tubería para permitir el lavado de la misma.


Nombre Técnico Válvula mariposa

Serie o Número de equipo VZSA

Marca FESTO

Cantidad 3

Tipo de efecto Simple efecto

Estado Inicial Normalmente cerrada

Presión de funcionamiento 10 bar

Material Acero inoxidable

11

Tabla 3: Caracterización válvula de asiento festo


2.2.4 Electroválvula MFH

Se empleará seis electroválvulas 3/2 (3 vías, 2 posiciones)como se muestra en la

Figura 6 para la activación de las válvulas de mariposa y asiento en el control de

lavado de los tanques; debido a que estas válvulas son de simple efecto, es decir,

tienen una sola entrada de aire y su retorno es mecánico.

Las electroválvulas se ubicarán en el interior del tablero neumático cerca de la

unidad de mantenimiento.

Figura 6: Electroválvula

Fuente: Festo

En la tabla 4, se describen las características técnicas de las electroválvulas las

mismas que se utilizan para el control de los actuadores (válvula mariposa y válvula

asiento).


Nombre Técnico Válvula de asiento

Serie o Número de equipo VZXF

Marca FESTO

Cantidad 3

Tipo de efecto Simple efecto

Estado Inicial Normalmente abierta

Presión de funcionamiento 10 bar

Material Acero inoxidable

12

Tabla 4: Caracterización electro-válvula MFH de festo


2.2.5 Perfil distribuidor

Se usará un perfil distribuidor Figura 7 para la alimentación de aire comprimido al

punto común de las electroválvulas (ingreso del aire).

Este se ubicará en el tablero y permitirá el montaje de las electroválvulas.

Figura 7: Perfil distribuidor

Fuente: Festo

En la tabla 5, se describen las características técnicas del perfil distribuidor, utilizado

para conectar las electroválvulas a la alimentación de aire.


Nombre Técnico Electroválvula

Serie o Número de equipo MFH

Marca FESTO

Cantidad 6

Vías/Posiciones 3/2.

Caudal 500 a 700 1/min

Tipo de accionamiento Eléctrico

Tensión de funcionamiento de la bobina 110V

Forma de reposición Muelle mecánico

Tipo de montaje Servopilotaje

13

Tabla 5: Caracterización perfil distribuidor de festo


2.3 Sensor ultrasónico UM30-215113

El control de nivel de leche se lo realizará mediante el sensor UM30-215113 de la

marca Sick como se muestra en la Figura 8 el mismo que tiene la característica de ser

parametrizado y configurado mediante un display la señal analógica de 4 a 20mA de

una forma rápida y flexible, además es capaz de captar de forma fiable los objetos

como también de determinar de forma sumamente exacta las distancias, es resistente

al polvo, la suciedad y la niebla.

Además es de fácil integración gracias a su forma compacta, los resultados de

medición son fiables gracias a la eliminación de influencias mediante los modos de

sincronización. Se encontrará en la cubierta superior del tanque L4.

Figura 8: Sensor ultrasónico

Fuente: Sick

En la tabla 6, se describen las características técnicas del sensor ultrasónico, el

mismo que sirve para obtener el nivel de leche que contiene el nuevo tanque.


Nombre Técnico Perfil distribuidor

Serie o Número de equipo PAL

Marca FESTO

Cantidad 2

Material Aluminio anodizado

Información adicional Escuadra de fijación de acero cincado

14

Tabla 6: Caracterización sensor ultrasónico


2.4 Autómata programable y módulos de expansión

Para las exigencias del proyecto elegir el autómata programable es uno de los pasos

fundamentales ya que se debe tomar en cuenta muchos aspectos para evitar un

exceso de prestaciones o que se tenga funcionalidades que no sean necesarias.

En el proyecto que se va a automatizar, se ha decidido trabajar con un PLC TWIDO

de fabricante Schneider Electric, el cual brinda las facilidades de elegir cuántas

entradas y salidas (E/S) se van a necesitar, facilita la comunicación mediante

Ethernet y brinda la capacidad adecuada en programación y memoria.

2.4.1 PLC Twido TWDLMDA20DRT

El PLC TWIDO TwdlMDA20DRT, es de tipo modular con variedad de opciones,

con capacidad de expansión de 7 módulos de E/S, un software de programación y

comunicación Modbus simple, que permite crear una interfaz RS-485 para tener un

enlace eficaz con una pantalla táctil magelis.


Nombre Técnico Sensor Ultrasónico

Serie o Número de equipo UM30-2

Marca SICK

Cantidad 1

Voltaje de alimentación 9 a 30 VDC

Corriente de consumo <80mA

Temperatura ambiente En operación de -25 a 70˚C

Material Latón niquelado

Tipo de conector M12, 5 pines

Incluye Display para calibración y configuración

Tipo de señal Analógica

Señal 4 a 20 mA; 0-10V

Rango de distancia 600 a 6000 mm

Máximo Rango de distancia 8000 mm

Peso 270g

Histéresis 100 mm

Frecuencia ultrasonica 80 KHz

Tiempo de respuesta 240 ms

Grado de protección IP67

15

Figura 9: PLC Twido

Fuente: Schneider-Electric

La Figura 9 se muestra físicamente el PLC TWIDO TWDLMDA20DRT que es el

encargado de controlar el proceso, y se encuentra ubicado en la parte interna del

tablero de control.

La tabla 7 describe las características técnicas del PLC Twido TwdLMDA20DRT.

Tabla 7: Caracterización PLC Twido TwdLDMA20DRT



Serie o Número de equipo TWDLMDA20DRT

Marca Scheneider-Electric

Cantidad 1

Número de I/O Discretas 20

Número de Entradas discretas 12

Voltaje de entrada discreta 24 V

Tipo de Voltaje DC

Número de módulos expandibles 7.

voltaje de alimentación 24 VDC

16

2.4.2 Módulo de expansión analógico TWDAMI2HT

A este controlador se le añadirá un módulo de expansión analógico TWDAMI2HT

Figura 10 el cual posee dos entradas de alto nivel de 12 de bits configurables de 0 a

10 Vdc o de 4 a 20 mA; este módulo es el encargado de recibir los datos en una de

las entradas conectadas al sensor ultrasónico, de esta forma se puede escalar la señal

y presentarla en la pantalla táctil. Se colocará dentro del tablero de control, junto al

PLC.

Figura 10: Módulo analógico


La Tabla 8, indica la corriente, voltaje y parámetros con los que trabaja el módulo de

expansión.

Tabla 8: Caracterización Módulo de expansión TWDAMI2HT



Nombre Técnico Módulo de expansión Analógico

Serie o Número de equipo TWDAMI2HT


Cantidad 1

Tipo de entrada analóga Corriente 4 a 20 mA diferencial

Tensión nominal de voltaje 24 VDC

17

2.5 Pantalla táctil

Existen diversas tecnologías para implementar los sistemas táctiles, cada una basada

en diferentes fenómenos y con distintas aplicaciones. Schneider-Electric brinda

dentro de su mercado pantallas que pueden ser aplicadas en la automatización y que

son fiables y versátiles.

Todos los tipos de paneles Magelis de Schneider-Electric ofrecen la misma

funcionalidad, independientemente del tamaño de la pantalla además son aptos para

la comunicación con diferentes controladores.

2.5.1 Magelis XBTGT2330

Este tipo de paneles HMI de alta funcionalidad, posee una pantalla de alta

visibilidad, contraste, brillo ajustable y hasta una configuración de 40 tipos de letras;

esto amplía las posibilidades de implementar imágenes detalladas del proceso.

El panel Magelis XBTGT2330 Figura 11 permitirá una conexión mediante Ethernet

para visualizar los diferentes datos que se obtengan del PLC.

Figura 11: Pantalla táctil


18

La pantalla táctil Magelis XBTGT2330 permite el ingreso y visualización de datos

para el proceso de control de lavado automático tales como pulsos de marcha y paro

para encender y apagar las bombas, visualización del nivel de leche, configuración

de tiempos y visualizar salidas del PLC activadas. Se colocará en la puerta interna

del tablero de control.

En la tabla 9, se describen las características técnicas de la Magelis.

Tabla 9: Caracterización magelis XBTGT230


2.6 Dispositivos electrónicos de control

Los dispositivos electrónicos de control que se enlista a continuación son de la marca

Schneider Electric:

Variador de Frecuencia Altivar ATV61HD22N4

Guarda Motor LRD16

2.6.1 Variador de frecuencia Altivar ATV61HD22N4

El Variador de frecuencia ATV61HD22N4 Figura 12 permite variar la velocidad del

motor acoplado a la bomba y realizar un arranque suave. Se seleccionó este variador

puesto que es de alta potencia y fuerza; además esta clase de variadores son


Serie o Número de equipo XBTGT2330

Marca SICK

Cantidad 1

Tamaño 5.7"

Pixeles 320 x 240

Tipo TFT

Voltaje de alimentación 24 VDC

Procesador de frecuencia 133 MHz

Corriente de entrada <=30 A

Memoria interna 16 MB

Consumo de energía 26 W

19

específicamente destinados al control de motores eléctricos, para tener un mejor

control y desempeño de la bomba. Se encontrará dentro de los tableros de fuerza.

Figura 12: Variador de frecuencia


En la tabla 10, se describen las características técnicas del variador de frecuencia

ATV61HD22N4.

Tabla 10: Caracterización variador de frecuencia ATV61HD22N4


2.6.2 Guarda motor LRD16.

Este guarda motor LRD16 Figura 13 sirve como protección termo magnético

utilizado tanto en el arranque suave como en el arranque directo del motor. Este se

ubicará en los tableros de fuerza.


Nombre Técnico Variador de frecuencia

Serie o Número de equipo ATV61HD22N4


Cantidad 1

Número de fases 3 fases

Tensión nominal de alimentación 380 a 480 V

Potencia del motor KW 22 KW 3 fases 380..480V

Corriente de línea 42 A 480V 3 fases 22 KW 30 hp

Frecuencia de alimentación 50 a 60 Hz

20

Figura 13: Guarda motor


En la tabla 11, se describen las características técnicas del guarda motor LRD16.

Tabla 11: Caracterización guarda motor LRD16


2.7 Elementos Auxiliares

Para la construcción del sistema y tablero de control se ha utilizado como elementos

auxiliares:

2.7.1 Contactor LC1D12M7

En la Figura 14 se tiene un tipo de contactor que es muy utilizado en el campo

industrial ya que cuenta con una corriente de hasta 12A y con una tensión nominal de

hasta 660V y en caso de sobrecarga tiene un arranque electromagnético con relé


Nombre Técnico Guarda motor

Serie o Número de equipo LRD16


Cantidad 2

Número de fases 3 fases

Rango de empleo de voltaje 690 V

Corriente permisible 3 A 120 VAC

Ajuste de la protección térmica 9 a 13 A

Frecuencia ultrasónica 80 KHz

Tiempo de respuesta 240 ms

Grado de protección IP67

21

térmico; además es utilizado para el arranque directo de la bomba de 5.5 KW de

suministro para el nuevo tanque. Este se situará dentro de los tableros de fuerza.

Figura 14: Contactor


En la tabla 12, se describen las características técnicas del Contactor LCD1D12M7.

Tabla 12: Caracterización contactor LC1D12M7


2.7.2 Relé auxiliar RXM4AB1BD

Se utilizarán 7 relés como pre-actuadores para el control de las electroválvulas y el

pulso del arranque del variador de frecuencia a partir de las señales de activación del

PLC. Se ubicarán dentro del tablero de control. En la Figura 15 se muestra el relé

auxiliar.


Nombre Técnico Contactor

Serie o Número de equipo LC1D12M7


Cantidad 1

Rango de empleo de voltaje <=690V Ac 25…400 Hz para circuito de potencia

Rango de empleo de corriente 12 A( <=60˚C) a <=440 V Ac para circuito de potencia

Potencia del motor 5,5 KW 425…440V AC 50/60 Hz

22

Figura 15: Relé


En la tabla 13, se describen las características técnicas del relé RXM4AB1BD.

Tabla 13: Caracterización relé auxiliar RXM4AB1BD


2.7.3 Selector XB4BD33

En la Figura 16 se muestra un interruptor el cual es utilizado en aplicaciones

industriales ya que es un elemento de mando que trabaja en condiciones de

automático o manual, es decir, es el que impone la condición de trabajo del sistema,

por esta razón tiene mucha importancia al momento de acoplarlo al proceso. Se

localizará en la parte frontal del tablero de control.

Figura 16: Selector



Nombre Técnico Relé Auxiliar

Serie o Número de equipo RXM4AB1BD


Cantidad 7

Tensión del Circuito de control 24 Vcc

Corriente térmica 6A

23

En la tabla 14, se describen las características técnicas del selector XB4BD33.

Tabla 14: Caracterización selector XB4BD33


2.7.4 Luz piloto XB4BVM3

Las luces piloto cumplen un papel muy importante en el desenvolvimiento de este

proyecto debido a que su función es la de indicar que la bomba se encuentra en

marcha. Este se ubicará en la parte frontal del tablero de control. La Figura 17

muestra la luz piloto.

Figura 17: Luces


En la tabla 15, se describen las características técnicas de la luz piloto XB4BVM3.

Tabla 15: Caracterización luces piloto XB4BVM3



Nombre Técnico Selector

Serie o Número de equipo XBA4BD33


Cantidad 1

Posiciones de operador 3 Posiciones +/- 45


Nombre Técnico Luces Piloto

Serie o Número de equipo XB4BVM3


Cantidad 2

Voltaje de alimentación nominal 230…240 V AC, 50/60 Hz

Tensión nominal de aislamiento 250 V

Consumo de corriente 14 mA

24

2.7.5 Pulsador de marcha y paro rectangular XB4BL73415

El Pulsador XB4BL73415 se utilizará para el proceso de marcha y paro en el

arranque directo de la bomba de 5.5KW. Se situará en la parte frontal del tablero de

control. La Figura 18 muestra el pulsador.

Figura 18: Pulsador marcha/paro


En la tabla 16, se describen las características técnicas del pulsador XB4BL73415.

Tabla 16: Caracterización pulsador XB4BL73415



Nombre Técnico Pulsador de marcha y paro rectangular

Serie o Número de equipo XB4BL73415


Cantidad 1

Voltaje de alimentación nominal 230…240 V AC, 50/60 Hz

Tensión nominal de aislamiento 600 V

Rango de corriente asignada 1,2 A 600 V

25

CAPÍTULO 3

DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN

El presente capítulo detalla el desarrollo técnico e implementación del proyecto

planteado.

3.1 Diseño del sistema de control

Para explicar el proceso con el que se realizó el control automático y manual de

lavado, así como la medición del nivel del sensor ultrasónico se tuvo en cuenta las

siguientes consideraciones:

El sensor ultrasónico solo medirá el nivel de líquido del tanque L4.

La válvula mariposa estará conectada al sprayball (rociador de 360˚ ideal para

el lavado de tanques) que será quien lave el tanque desde la parte superior.

La válvula de asiento permitirá el lavado de las líneas.

La bomba CIP extraerá el líquido de cada tanque.

Figura 19: Diagrama de componentes del sistema Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Los componentes a utilizarse para el desarrollo del presente proyecto y el diagrama

de interconexión son mostrados en la Figura 19

26

Control automático de lavado:

El control funcionará de la siguiente manera al iniciar el proceso de lavado:

Se activará la válvula mariposa y la bomba CIP que permitirá lavar el tanque

desde la parte superior.

Al finalizar el tiempo de activación de la válvula mariposa se activará la

válvula de asiento y desactivará la bomba CIP, de esta manera, al quedar solo

activada la válvula de asiento se podrá lavar las líneas sin perder presión en

estas.

Control manual de lavado:

El operador selecciona el tanque que desea lavar y activa las válvulas

mariposa o válvula de asiento dependiendo de la función que desee realizar y

a su vez selecciona un tiempo de lavado indistintamente de los programados,

es decir, el operador activa y desactiva una válvula para luego activar la otra

en el tiempo que el estime necesario.

3.2 Diagramas de conexión

Para la elaboración de los diagramas de conexión se tomó como referencia la

siguiente nomenclatura de símbolos eléctricos mostrados en la Figura 20

27

Figura 20: Simbología eléctrica Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

3.2.1 Diagramas eléctricos

3.2.1.1 Diagrama de alimentación

Para la alimentación de los dispositivos de control, se cuenta con un voltaje de 220V

AC cuyas líneas van conectadas a un breaker de 2 posiciones con accionamiento

manual (B1) para evitar sobre voltajes, luego se coloca una fuente de voltaje (G1) la

cual nos proveerá de un voltaje de 24 VDC, ya que esta es la alimentación adecuada

para el PLC, el módulo de expansión analógico, la pantalla táctil y el sensor

ultrasónico.

28

Para una mejor y segura protección de los equipos se colocó un breaker de una

posición con accionamiento manual (B2) que irá conectado en el cable de voltaje de

24VDC. Como se indica en la Figura 21, como requerimientos adicionales se instaló

un fusible (F1) para protección directa del sensor ultrasónico, conjuntamente se

realizó, las conexiones de la red Modbus y el envío de la señal del sensor al PLC.

Figura 21: Circuito de alimentación del PLC y pantalla táctil magelis Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

3.2.1.2 Diagrama de control

En la Figura 22 se observa el diagrama de control de las salidas digitales del PLC

(Q0.2,Q0.3…Q0.7) que son salidas de tipo relé, estos se encargarán de activar o

desactivar las bobinas delos relés (K2,K3…K7) que funcionan a 220Vcon fases de

línea F1 y F2 y que tendrán como función activar o desactivar los contactores que

manejan a los pre-actuadores (Y1,Y2…Y6), y estos a su vez enviarán una señal para

activar las válvulas de mariposa y las válvulas de asiento de acuerdo al requerimiento

del operador.

29

Figura 22: Diagrama de salidas digitales de las electroválvulas


Como una de las entradas digitales al PLC se tendrá el selector marcha/paro (S3),

según se muestra en la Figura 23, el cual, va conectado a la línea de voltaje positivo

de 24VDC y es direccionado con la entrada I0.0 del PLC.

Este selector permitirá controlar los modos de operación del sistema ya sea en

automático o manual.

Figura 23: Diagrama entrada digital Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

30

3.2.1.3 Diagrama de potencia

El diagrama de potencia que se muestra en la Figura 24 corresponde al arranque

directo de la bomba de 5.5KW formado por un guarda motor y un contactor.

Esta bomba es utilizada para el suministro de agua del nuevo tanque. En este mismo

diagrama se observan las conexiones de la bomba de 22KW correspondiente a la

bomba de succión de agua en el proceso de lavado automático, la misma que consta

de un guarda motor y un variador de frecuencia.

Figura 24: Circuito de potencia


3.2.1.4 Diagrama neumático

El diagrama neumático que se utiliza para el accionamiento de las válvulas de

mariposa y válvula de asiento se muestran en la Figura 25

31

Figura 25: Esquema neumático Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Para poner en marcha el proceso se diseña un circuito electro neumático que permite

controlar las entradas y salidas destinadas del PLC. El accionamiento empieza

cuando el PLC envía una señal digital a las electroválvulas (Y1, Y2…Y6) para su

respectiva activación, haciendo que los actuadores (YA1, YA2…YA6) desempeñen

su función que se trata de activar la válvula mariposa o válvula de asiento de acuerdo

a su programación.

3.3 Montaje de equipos

3.3.1 Tablero de control

El tablero de control Figura 26, ubicado en el exterior del proceso, frente a los

tanques de suministro, tiene la función de salvaguardar los equipos de control entre

ellos el PLC, los relés, los breakers de protección, las borneras, la pantalla táctil

(Magelis), las unidades de mando y señalización para los arranques de las bombas.

32

Figura 26: Distribución de los equipos en el tablero de control Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

El tablero de control cuenta con dos puertas, en la primera puerta que da hacia el

exterior se encuentran instalados las unidades de mando y señalización (pulsadores,

selector y luces piloto); en la segunda puerta la cual se encuentra en el interior tiene

la finalidad de salvaguardar la pantalla táctil de la humedad, la luz del sol y cubrir la

circuitería de control como se muestra en la Figura 27

Figura 27: Ubicación magelis Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

33

3.3.2 Tablero de electroválvulas

Existe un segundo tablero Figura 28, el cual, contiene las electroválvulas, con un

conjunto de borneras para el cableado de control (borneras superiores) y otro

conjunto de borneras que vienen del circuito de fuerza y van a la alimentación de las

bombas. Este tablero se lo conoce con el nombre de tablero neumático por su función

de salvaguardar a los elementos neumáticos.

Figura 28: Distribución de equipos en el tablero de electroválvulas Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

3.4 Flujogramas del proceso

Flujograma principal del control del sistema.

La Figura 29 muestra el flujograma principal del control del sistema que empieza

con la inicialización, después se lee el estado automático, si su señal es positiva

se establece el tiempo de lavado de las válvulas asignando las variables TVM=X

y TVA=Y; si el valor del estado es SI se ejecutará la subrutina de arranque en

caso contrario se enlazará con la rutina de ingreso manual para dar paso a la

selección del tanque al cual se ingresará sus valores de lavado.

34

Figura 29: Diagrama de flujo de control del sistema Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Subrutina de arranque automático

Figura 30: Subrutina de arranque automático


35

El diagrama de la subrutina de arranque automático mostrado en la Figura 30 inicia

estableciendo los tiempos de lavado de los tanques, luego se realiza la selección del

tanque, al cual el sistema va a ejecutar el lavado automático, así como a la tubería,

para posteriormente realizar el mismo proceso con los tanques L4, L5 y L6.

Subrutina de arranque manual

Figura 31: Subrutina de arranque manual Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

En la subrutina de arranque manual mostrada en la Figura 31 se empieza

seleccionando el tanque (L4, L5 o L6) para después activar el valor de las variables

ingresadas Tanque o Tubería; si la salida es válida se procede a encender los

actuadores del proceso (V. Mariposa o V. Asiento), caso contrario el proceso retorna

hasta que el operador asigne una de las variables deseadas.

36

3.5 Diseño del HMI

HMI es la Interfaz entre el humano y la máquina, donde se encuentran

esquematizados, gráficamente el proceso que se desea monitorear y además permite

al operador:

Monitorear datos de la máquina en tiempo real y con un lenguaje fácil para

la interpretación del operador.

Supervisar y ajustar condiciones de trabajo.

Reconocer alarmas de anomalías dentro del proceso.

Controlar mediante algoritmos de ajuste las condiciones y valores en el

proceso.

Registrar y almacenar archivos para llevar un registro histórico de alarmas y

eventos.

De esta manera permite al operador tomar decisiones oportunas y a tiempo. Un HMI

está conformado por un controlador que se dedica a la adquisición de datos

proporcionados por el sensor, al igual que él envío de datos hacia los elementos de

control.

Pantalla de presentación

La pantalla de presentación Figura 32 es la primera que se observa al momento de

iniciar la aplicación, esta misma consta de tres botones los cuales permitirán

seleccionar las opciones de lavado, proceso y mantenimiento.

Figura 32: Pantalla de presentación magelis


37

Opción lavado

Una vez seleccionada esta opción, se desplegará la pantalla de ciclo de lavado tal

como se observa en la Figura 33

Figura 33: Panel ciclo de lavado


En la etapa de lavado se puede seleccionar el tanque sobre el cual se va a realizar el

proceso de limpieza; en esta pantalla solo existen configuraciones de botones para

saltar a otro panel.

Al elegir uno de los tres tanques mostrado en la Figura 33, se desplegará el panel

para controlar el lavado del mismo.

Figura 34: Ciclo de lavado Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

38

En la Figura 34 se tendrán los indicadores que visualizarán los estados de las

válvulas y la bomba CIP, además se cuentan con los siguientes elementos:

Botón Manual: permite elegir el modo manual o automático del lavado del

tanque.

Botón Iniciar: da el inicio al proceso automático de lavado siempre y cuando

esté seleccionado el modo automático.

Botón Válvula Mariposa: activa la válvula mariposa del tanque en el modo

manual.

Botón Válvula de Asiento: activa la válvula de asiento del tanque en el

modo manual.

T1 y T2: indican el tiempo que está activada la válvula mariposa y la válvula

de asiento respectivamente, en cada ciclo de lavado.

Botón Configurar Tiempos: al pulsar este botón aparecerá un subpanel

Figura 35 donde se puede ingresar los tiempos de activación de cada válvula

o elegir los tiempos predeterminados.

Figura 35: Tiempos de lavado


Opción proceso

En este panel Figura 36 al igual que en el panel de lavado se podrá elegir el tanque

L5 y L6 para observar si las válvulas se encuentran activadas mediante unos

indicadores; en cambio en el tanque L4 además de estos indicadores, también se

39

puede observar el nivel de líquido que se encuentra en el tanque gracias al sensor de

nivel.

Figura 36: Panel de procesos


Como se mencionó anteriormente en el tanque L5 y L6 solo se observarán los

indicadores de encendido de las válvulas de mariposa, válvulas de asiento y de la

bomba CIP como se muestra en la Figura 37

Figura 37: Proceso tanque L6 Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

40

En cambio en el tanque L4 se observará la cantidad de litros que se encuentran en el

mismo de forma numérica y mediante un slider.

Figura 38: Proceso tanque L4


En la Figura 38, el botón Calibrar es donde se ingresará los valores máximos y

mínimos del contenido de leche en este caso el valor mínimo vendría a ser de 0 litros

y en el valor máximo sería de 40000 litros; en el valor real en cambio se tendría los

valores que ofrece el sensor y en los valores de escala se obtendrán los valores para

obtener la linealidad.

Figura 39: Calibración sensor ultrasónico Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

41

Mientras que el botón Volver a valores predeterminados mostrado en la Figura 39

se coloca los valores tanto de máximo y mínimo como se encuentran por default en

la programación del PLC.

Opción mantenimiento

Este panel, es restringido y solo se podrá acceder mediante una clave; en este panel

se observará el tiempo total de funcionamiento de la bomba CIP, y el control de las

válvulas de cada tanque, además del tiempo que están activadas las válvulas y la

configuración de tiempos de activación de cada tanque como se muestra en la

Figura40

Figura 40: Panel de mantenimiento


3.6 Configuración del sensor de nivel

3.6.1 Calibración de la señal analógica

Una vez instalado el sensor en su posición y polarizado correctamente se procede a

calibrarlo Anexo 1.

Desde la pantalla de configuración del sensor se presionará al mismo tiempo

los botones t1 y t2 durante tres segundos, tras lo cual aparecerá la pantalla

“Hello Pro” seguidamente de las letras “IU”, luego se presionará t1 o t2 a la

vez para proceder a configurar los parámetros.

42

En el siguiente parámetro se presionará t1 y t2 a la vez

En el próximo parámetro se elegirá la menor distancia que existirá entre el

sensor y el nivel del líquido una vez configurado el valor se presionará t1 y t2

a la vez para pasar al siguiente parámetro

Ahora se configurará la distancia más lejana que habrá entre el líquido y el

sensor; restándole el valor que se ingresará en el anterior parámetro y

nuevamente se presionará t1 y t2 a la vez

En este último parámetro se configurará el tipo de salida de corriente que se

tendrá si es en ascenso o descenso

Para finalizar se presionará t1 y t2 a la vez una vez que salga End se

presionará t1 y t2 a la vez para guardar los datos configurados

3.6.2 Escalamiento de la señal analógica

El sensor ultrasónico es utilizado para medir el nivel del líquido en el tanque L4 de

una forma directa. El nivel mínimo que se va a trabajar es de 40.000 litros y el

máximo es de 0 litros.

43

El sensor ultrasónico entrega la señal de corriente de 4 a 20mA en función de su

dmax y dmin configuradas en el display, es decir que donde se señale el punto de

medición máxima el sensor entregará 4 o 20mA dependiendo si fue configurado

como ascendente o descendente. Para este proyecto y por facilidad del cálculo el

sensor se configuró en modo descendente de tal forma que donde se establezca su

punto máximo de medición entregará 4mA para indicar que el volumen esta en 0

litros y en la mínima distancia el sensor entregará 20mA indicando el volumen de

40.000 litros.

En este contexto se puede decir que cuando el tanque se encuentre vacío el sensor

entregará 4mA y cuando el tanque este a su mayor capacidad el sensor entregará

20mA. De esta manera la relación volumen vs corriente se determina como se indica

en la Figura 41

Figura 41: Gráfica lineal Litros vs Corriente Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

44

Para realizar el proceso analítico es necesario obtener la fórmula de linealidad de la

relación volumen vs corriente, para lo cual se utiliza la fórmula de la pendiente que

se muestra en la ecuación (1).

Ecuación (1)

Se reemplazan los valores con los puntos iniciales (Yo, Xo) = (0, 4) y punto final

(Yf, Xf) = (40000, 20) de la recta mostrada en la Figura 41, litros vs corriente para la

obtención de la pendiente cuyo valor se indica en la ecuación (2).

Ecuación (2)

Se aplica nuevamente la fórmula de la pendiente reemplazando esta vez un punto

conocido de la recta (Yf, Xf) = (40000, 20), un punto no conocido (Y, X) y el valor

de la pendiente ecuación (2). Con el objetivo de obtener la fórmula de linealidad de

la recta cuyos valores no conocidos son: Y que representa el volumen litros y X valor

de la corriente (mA).

En la ecuación (3) se muestra el resultado:

(20-X)(40000)= 16 (40000-Y)

20*40000-40000X= 16*40000-16Y

16Y=16*40000-20*40000+40000X

45

Ecuación (3)

Donde:

X: valor de corriente (4 a 20mA)

Y: volumen (0 a 40.000lt)

La ecuación (3) simboliza un sistema ideal en el cual el volumen es directamente

proporcional a la corriente.

Por ejemplo si se necesita conocer analíticamente cual sería el volumen con una

corriente de 10mA se calcularía utilizando la ecuación (3), donde X es igual al valor

de corriente medido y Y el valor equivalente en volumen.

Litros

Procesamiento analógico

Se busca linealizar el proceso de medición del volumen en el interior del tanque con

respecto a la relación que ejerce automáticamente el módulo analógico al registrar la

señal de corriente (4 a 20mA) en el registro de memoria IW1.0, el mismo que tiene

un espacio de 16 bits (capacidad de 0 a 32768). Esta operación permite analizar el

procedimiento automático que realiza el autómata al momento de convertir la señal

de corriente en registro entero de tal forma que se pueda obtener la fórmula necesaria

para relacionar la corriente con el volumen.

46

Utilizando la fórmula de la pendiente aplicada a la Figura 42 de Corriente vs Word

(conocido como Word al registro del módulo analógico) se obtiene la ecuación (4).

Figura 42: Gráfica lineal Corriente vs Word Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Ecuación (4)

Donde:

X: valor de la corriente medido (4 a 20mA)

Y: es la equivalencia en entero (0 a 32768)

La ecuación (4) permite conseguir la relación Litros vs Word Figura 43

47

Figura 43: Gráfica lineal Litros vs Word Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Aplicando la ecuación de la pendiente se obtiene la fórmula de relación LITROS vs

WORD mostrada en la ecuación (5)

Ecuación (5)

Donde:

X: es el equivalente en número entero (0 a 32768) de la corriente (4 a 20mA)

Y: es el equivalente en litros (0 a 40000 litros)

La ecuación (5) es la fórmula programada en el autómata para lograr la equivalencia

en litros a partir de la medición de corriente. En la Figura 44 se indica en resumen el

procedimiento para la obtención del volumen en función de la medición de la

corriente.

48

Figura 44: Procesamiento de la señal analógica Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

Primero, el sensor entrega la señal de corriente de 4 a 20mA en función del nivel de

contenido de leche en el interior del tanque, que es entregada al módulo analógico.

Segundo, él módulo analógico automáticamente escribe en la variable de memoria

IW1.0 la equivalencia de la corriente medida de 4 a 20mA, en un número entero de 0

a 32768.

Y finalmente el PLC procesa el número entero para obtener la equivalencia en Litros,

la misma que es mostrada en la pantalla táctil Magelis en forma gráfica y numérica.

A continuación se establece un ejemplo tomado como ingreso una señal de 10mA.

Primero, se utiliza la ecuación Corriente vs Word ecuación (4) para obtener el

equivalente en entero de la señal de 10mA.

Y=12288 bits

Con este valor se obtendrá la equivalencia en volumen utilizando la ecuación Litros

vs Word ecuación (5)

49

Y= 15000 litros

Como resultado con una señal de corriente de 10mA se debería obtener 15000 litros.

A continuación se muestra la Figura 45 con los datos del ejemplo anterior.

Figura 45: Escalamiento de la señal


En la tabla 17 se muestran los datos obtenidos a partir de las ecuaciones 4 y 5.

Tabla 17: Obtención de datos esperados


SEÑAL DE CORRIENTE (mA) EQUIVALENCIA EN ENTERO EQUIVALENCIA EN LITROS (lt)

4 0 0

5 2048 2500

6 4096 5000

7 6144 7500

8 8192 10000

9 10240 12500

10 12288 15000

11 14336 17500

12 16384 20000

13 18432 22500

14 20480 25000

15 22528 27500

16 24576 30000

17 26624 32500

18 28672 35000

19 30720 37500

20 32768 40000

RESUMEN DE LOS DATOS ESPERADOS

50

3.7 Configuración de la red Modbus

La configuración de la red Modbus emplea el estándar de comunicación serial

RS-485 en configuración de cuatro hilos y permite la transmisión y recepción de

datos. En la Figura 46 se indica la conexión Modbus entre el PLC y la pantalla táctil

Magelis.

Figura 46: Configuración red Modbus


3.7.1 Configuración de los parámetros Modbus en el PLC

El PLC establecido como Master (equipo maestro de la red Modbus) está

configurado con los siguientes parámetros de red: velocidad baudios 19200, paridad

par, bit de datos igual a 8, bit de parada igual a 1como se muestra en la Figura 47

Figura 47: Configuración PLC Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

51

3.7.2 Configuración de los parámetros Modbus en la pantalla táctil magelis

La pantalla táctil magelis debe tener los mismos parámetros de red para establecer la

comunicación con el PLC, de esta manera se establecen los siguientes valores:

velocidad baudios 19200, paridad par, bit de datos igual a 8, bit de parada igual a 1,

como se muestra en la Figura 48.

Figura 48: Configuración pantalla táctil


52

CAPÍTULO 4

PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1 Pruebas y resultados de la medición del nivel leche

El sistema automatizado es un proceso importante dentro del campo lácteo. Los

resultados que se obtienen serán indispensables para una mejor distribución de la

leche, reducción de errores, disminución de recursos, desperdicio de material y la

visualización del proceso.

Una vez realizada la implementación, calibración y puesta en marcha del proceso, se

efectuaron pruebas de llenado del tanque L4, junto con la activación y desactivación

de los actuadores, donde se obtuvieron datos reales tomando en cuenta el

funcionamiento estándar del proceso y estos son detallados a continuación:

4.1.1 Pruebas de la señal analógica

Se busca linealizar la distancia en función de la señal de corriente a partir de las

características técnicas del sensor ultrasónico Anexo2.

Donde su rango de medición es de los 60 a 600 cm y su señal de corriente es de

4mA a 20mA.

En la tabla 18 se muestra los valores de la distancia desplegados por el sensor

ultrasónico en su respectivo display para la toma de sus medidas.

53

Tabla 18: Mediciones ideales


Los datos mostrados en la Figura 49 indican la linealización del comportamiento de

la señal analógica en función de la distancia medida, el mismo que puede ser

calibrado desde el display del sensor, es decir se puede limitar el rango de distancia

máxima y mínima que medirá el sensor ultrasónico.

4 590 0

5 557,19 2500

6 524,38 5000

7 491,56 7500

8 458,75 10000

9 425,94 12500

10 393,13 15000

11 360,31 17500

12 327,50 20000

13 294,69 22500

14 261,88 25000

15 229,06 27500

16 196,25 30000

17 163,44 32500

18 130,63 35000

19 97,81 37500

20 65 40000

SEÑAL DE

CORRIENTE (mA)

DISTANCIA

(cm)

EQUIVALENCIA EN

LITROS (lt)

54

Figura 49: Linealización Distancia vs Corriente


Si se configura el sensor ultrasónico en modo descendente, su señal de corriente en

función de la distancia se invierte, de tal forma que se obtiene en su distancia

máxima (600 cm) con una señal de 4mA, y en su distancia mínima (60cm) una señal

de 20mA.

4.1.2 Mediciones obtenidas en el campo

Para verificar la lectura de nivel de leche se mide la señal de corriente que entrega el

sensor ultrasónico en función del volumen dentro del tanque, utilizando el calibrador

de señales para medir el ingreso de la señal analógica en el módulo de expansión

analógico con la finalidad de comparar estos valores con los resultados esperados; de

la misma forma visualizar su equivalencia en litros mostrada en la pantalla táctil

magelis.

En la Figura 50 se muestra el calibrador utilizado para la medición de señal de

corriente que entrega el sensor ultrasónico al módulo analógico.

55

Figura 50: Pruebas de calibración


Se inicia la medición con el tanque vacío (0 litros), se toma la lectura del volumen en

el HMI y se procede a realizar la medición de corriente con el calibrador de señales.

Se realiza el mismo proceso con diferentes niveles de contenido de leche para así

verificar que la calibración que entrega el sensor ultrasónico sea similar a la que se

visualiza en la pantalla táctil magelis.

En la tabla 19, se muestran las mediciones obtenidas en el campo.

Tabla 19: Mediciones obtenidas en el campo


4 590 0

5,03 556,20 2509

6,01 524,05 5025

7,32 481,06 7535

8,02 458,09 10050

9,07 423,64 12575

10,03 392,14 15075

11,01 359,98 17578

12,03 326,52 20025

13,99 262,20 22555

14,04 260,56 25050

16,01 195,92 30025

17 163,44 32500

18,02 129,97 35050

19,01 97,48 37725

20 65 40000

MEDIDAS OBTENIDAS EN EL CAMPO

MEDICION DE LA SEÑAL DE

CORRIENTE (mA)DISTANCIA (cm)

NIVEL DE LECHE VISUALIZADA

EN PANTALLA(lt)

56

4.1.3 Margen de error de los datos obtenidos

El análisis del porcentaje de las mediciones esperadas en comparación con las

mediciones obtenidas en el campo, entrega un porcentaje de error mínimo, es decir

que las probabilidades de que exista pérdidas de leche son mínimas. Los valores se

encuentran tabulados en la Tabla 20.

Tabla 20: Cálculo del porcentaje


En la Figura 51 se visualiza los porcentajes de error que existen entre el valor ideal

vs el valor real, además se obtiene el porcentaje de error promedio con la finalidad de

saber cuál es el valor de margen de error que existe en este proceso automatizado.

0 0 0,00

2500 2509 0,36

5000 5025 0,50

7500 7535 0,47

10000 10050 0,50

12500 12575 0,60

15000 15075 0,50

17500 17578 0,45

20000 20025 0,13

22500 22555 0,24

25000 25050 0,20

30000 30025 0,08

32500 32500 0,00

35000 35050 0,14

37500 37725 0,60

40000 40000 0,00

0,30PORCENTAJE DE ERROR PROMEDIO

PORCENTAJE

VALOR ESPERADO

(VALOR IDEAL)

VALOR MEDIDO EN LA

PANTALLA (VALOR REAL)

PORCENTAJE DE

ERROR %

57

Figura 51: Porcentaje de error Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia

58

CONCLUSIONES

El sistema de supervisión, control automático de suministro y limpieza en un

tanque de leche de almacenamiento de la empresa, para un proyecto de

servicio de la empresa SEIUS, funciona adecuadamente bajo las condiciones

de automático o manual para el lavado de los tanques, mediante el uso de

válvulas neumáticas (actuadores) y electroválvulas controladas por el PLC

TWIDO TwdlMA20DRT, además una pantalla táctil (Magelis) XBTGT2330

que tiene como objeto el control del sistema como también la supervisión del

nivel de leche dentro del tanque; para lo cual se utilizó un sensor ultrasónico

para la medición, linealizando su señal de salida de 4 a 20mA en función de

la capacidad del tanque de 0 a 40000lt.

Los equipos que se utilizaron para el proceso de control y monitoreo fueron

caracterizados y seleccionados para cumplir con el requerimiento del sistema

de control automático y manual para el lavado de los tanques y supervisión

del nivel de leche; bajo los estándares de la empresa SEIUS los cuales se

basan en la venta de equipos únicamente de la marca SCHENEIDER

ELECTRIC para los procesos de automatización.

Se automatizó el proceso de llenado y limpieza mediante la programación del

autómata programable PLC con la Pantalla táctil (Magelis) con la finalidad de

controlar y supervisar el sistema Automático.

Se implementó una HMI mediante diseños y programación de la pantalla

táctil (Magelis), la misma que sirve para configurar los tiempos y ciclos de

lavado como también visualizar el nivel de leche en el nuevo tanque; puesto

que permite al usuario desplazarse fácilmentepor ser un interfaz sencillo de

comprender y utilizar.

59

Con las pruebas pertinentes del correcto funcionamiento y producción del

sistema implementado se demuestra su eficiencia cumpliendo los parámetros

necesarios y la satisfacción del cliente

El desarrollo del proyecto cumple con todas las etapas de diseño,

implementación y pruebas en producción y se lo entregó en condiciones

operativas.

60

RECOMENDACIONES

Se recomienda la instalación de sensores ultrasónicos en los otros dos tanques

de almacenamiento para la supervisión de contenido de leche debido a que al

contar en un solo tanque con este sistema de supervisión no se está

explotando la producción a su máxima capacidad.

Se sugiere dar un mantenimiento preventivo periódico al sensor ultrasónico y

a los actuadores, ya que con el frecuente uso se puede evitar que estos se

deterioren rápidamente y pierdan sus funciones originales.

Se recomienda cambiar el sistema de bombeo de los tanques de recepción de

leche hacia los tanques de almacenamiento automáticamente a partir de la

supervisión del contenido de los tanques, de tal forma que el tanque de

almacenamiento de leche pueda mantenerse en un nivel apropiado de

contenido para enviar a producción.

Se recomienda trabajar con el Manual de Operador y capacitar al personal

que va a supervisar el sistema de control y monitoreo, permitiendo

comprender su correcto funcionamiento para evitar futuros inconvenientes.

Es prudente que con el paso de los años se busque tratar de implementar

nuevos tipos de actuadores ya que el PLC junto con su módulo de expansión

brindan mucha flexibilidad para modificar o expandir las funciones de un

determinado proceso o equipo.

61

LISTA DE REFERENCIAS

Club de Ensayos. (2013). Obtenido de

http://clubensayos.com/Tecnolog%C3%ADa/Neumatica/939608.html

Cobo, R. (s.f.). Obtenido de

http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/hmi.pdf

Durana, J. M. (s.f.). Obtenido de

http://www.araba.ehu.es/depsi/jg/API.pdf

Electric, S. (Enero de 2005). Vijeo-Designer Tutorial. Obtenido de

http://www.infoplc.net/files/descargas/schneider/infoPLC_net_VijeoDesigner

_Tutorial_ESP.pdf

Festo. (julio de 2015). Obtenido de

https://www.festo.com/cat/engb_gb/data/doc_ES/PDF/ES/TIGERCLASSIC_

ES.PDF

FESTO. (s.f.). Automatización Industrial. Obtenido de

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Festo. (s.f.). Filtro Regulador. Obtenido de

https://www.festo.com/cat/es_es/search?query=FRC

Molina, J. L. (2002). profesor molina. Obtenido de

http://www.profesormolina.com.ar/tecnologia/sens_transduct/que_es.htm

Sampiensman. (s.f.). Obtenido de

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica16.htm#electrovalvulas

Schneider_Electric. (24 de Noviembre de 2014). Obtenido de

http://www.schneider-electric.com/en/product-range-selector/1434-magelis-

xbt-gt/?p_url=http%3A%2F%2Fwww.ops-ecat.schneider

Sick. (s.f.). Sensor Ultrasónico. Obtenido de

https://www.mysick.com/eCat.aspx?go=FinderSearch&Cat=Row&At=Fa&C

ult=English&FamilyID=404&List=1&Category=Produktfinder&Selections=

49224

Wikiciencia. (s.f.). Electrónica Los PLC (Controlador Lógico Programable ).

Obtenido de

http://www.wikiciencia.org/electronica/electricidad/plc/index.php

62

ANEXOS

Anexo 1. Diagramas Unifilares

63

64

65

66

67

68

69

70

71

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73

74

75

76

77

Anexos 2. Hoja técnica Sensor de Ultrasónico

78

Documents

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE QUITO …dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/11610/1/UPS - ST002116.pdf · desarrollo de un sistema de supervisiÓn, control AUTOMÁTICO