26 Operativos: Son aquellos que se establecen en cada una de las unidades o secciones de las
2.4 Arquitectura de control.
La arquitectura de control es una representación gráfica de la distribución de un sistema de control, en la cual pueden estar representados uno o varios PLC, Sistemas de Control Distribuido o Sistemas de Control Hibrido. En el diseño de la arquitectura de control se realiza una estructura del acomodo de los diferentes elementos periféricos que se utilizan para la automatización de un proyecto tales como: CPU, módulos, servidores, clientes, la conexión en red, redundancia, etc. El tamaño de la arquitectura de control depende del número de sistemas de control, módulos de entradas y salidas o tamaño de la red.
La arquitectura de control es parte de los documentos de la ingeniería básica y es utilizada para dimensionar el hardware del sistema de control requerido para un proyecto de automatización, permitiendo hacer los estimados de costos, dimensionamiento de gabinetes y cuartos de control, alcances de obra, desarrollo de diagramas, hacer los análisis para instalación de redes o control redundante, etc.
Capítulo 2 Ingeniería básica
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2.4.1 Características de la arquitectura de control.
La arquitectura de control del proceso bacterinas como la mostrada en la figura 2.17, se diseña en base a las necesidades de automatización y a los recursos que se tienen para el desarrollo del proyecto. Este diseño permite visualizar las partes de hardware del sistema de control.
Los elementos mínimos de hardware que debe tener la arquitectura de control para poder cubrir las necesidades del proceso bacterinas son los siguientes:
Un PLC con módulos de entradas y salidas.
Una computadora donde se visualizarán los gráficos dinámicos y registro de tendencias de forma local.
Una computadora donde se visualizarán los gráficos dinámicos y registro de tendencias de forma remota.
Un switch Ethernet para la red industrial de acceso remoto. Una pantalla táctil para operación del proceso.
2.4.2 Elaboración de la arquitectura de control.
Para elaborar la arquitectura se debe hacer un análisis previo de algunos puntos importantes y de las necesidades del proyecto, esto conlleva a un buen diseño para partir de una buena base.
2.4.2.1 Selección del PLC del proceso bacterinas.
Primeramente se determina el tipo de Sistema de Control mas conveniente para el proyecto del proceso bacterinas, este puede ser un PLC, un Sistema de Control Distribuido (SCD) o un Sistema de Control Hibrido (SCH), esta selección se hace analizando y comparando ciertas características y especificaciones que tienen los diferentes tipos de Sistemas de Control.
Capítulo 2 Ingeniería básica
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En la tabla 2.8 se hace un análisis de comparación de los tres tipos de sistemas de control más comunes en la industria y en relación a los resultados más óptimos, se toma la decisión de hacer la adquisición del equipo correspondiente.
Tabla 2.8. Tabla comparativa de Sistemas de Control.
PUNTOS A CONSIDERAR PLC SCD SCH Control discreto Si No Si Control continuo No Si Si Basado en microprocesador Si Si Si Señales analógicas Si Si Si Señales digitales Si Si Si Sistema redundante No Si Si
Aplicaciones tipo Batch No No Si
Lenguajes de fácil programación Si Si Si
Sistema supervisorio Si Si Si
Modular Si Si Si
Gran numero de entradas y salidas No Si Si
Comunicación en red Si Si Si
Costo accesible Si No No
En base al resultado del análisis de comparación realizado en la tabla 2.8 y la revisión de las especificaciones técnicas de los diferentes Sistemas de Control, se elije un PLC de la serie CPX modelo CPX-FEC-1-1E de la marca Festo para el proceso bacterinas, por ser un tipo de control discreto, en el cual se utilizarán entradas y salidas analógicas, de fácil programación, expandible, de bajo costo y utiliza un numero de señales considerable para este tipo de proyecto. Este PLC además tiene un puerto de comunicación del tipo Ethernet para conectarlo en red y de esta manera tener acceso remoto desde otra estación de operación mediante un software SCADA de bajo costo, el cual cumple con los requerimientos de la planta BOEHRINGER INGELHEIM.
El PLC seleccionado para el proceso bacterinas es uno de los equipos más potentes que fabrica la marca Festo, el cual tiene tecnología de punta, cuyas características importantes son las siguientes:
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1 puerto de comunicación Serial. 1 puerto de comunicación Ethernet.
Protocolo de comunicación Easy IP abierto para adquisición de datos. Escalable hasta 9 módulos de entradas y salidas analógicas y digitales. 1 Nodo Bus de campo.
Opera como maestro o como esclavo en una Red industrial Ethernet. Se programa tanto en listado de instrucciones como en lógica de escalera
El Software de programación ya viene incluido en la adquisición del PLC, con esto se reducen costos por licencia de software.
Sistema modular con muchas configuraciones posibles. Módulos con entradas y salidas digitales, módulos con entradas y salidas analógicas, módulos de temperatura RTD PT100 o TC (termopar).
El PLC del tipo CPX está conformado de la manera siguiente:
a) Terminal CPX de Festo.
El terminal eléctrico CPX es un sistema periférico modular de diseño único, también se le puede llamar CPU o PLC, que permite una fácil instalación de los módulos de entradas y salidas analógicas y digitales.
En este sistema se puso especial cuidado en la adaptabilidad de los distintos módulos e incluso en el se pueden instalar terminales de válvulas.
La estructura modular del sistema permite la configuración individual de la cantidad de módulos de entradas y salidas adicionales en función de cada aplicación.
En la figura 2.11 se observa la terminal CPX con sus módulos de expansión de entradas y salidas analógicas y digitales.
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Figura 2.11. Terminal CPX con PLC y sus módulos de expansión I/O. b) Modulo de 8 Salidas Digitales.
En la figura 2.12 se ilustra el modulo de salidas digitales, el cual se aprecia que físicamente es igual al módulo de entradas digitales, este diseño es para que el módulo pueda adaptarse a las bases de la terminal CPX.
Los módulos de salidas digitales permiten la conexión de dispositivos como válvulas solenoides, lámparas arrancadores para motores, etc.
Figura 2.12.Módulo de Salidas Digitales tipo CPX-8DA. Aplicaciones del módulo de Salidas Digitales:
Módulo de salida para alimentación de tensión de 24 V DC. Lógica PNP.
Parametrización de las características del módulo.
La tensión para la electrónica y las salidas se alimenta a través del módulo de salida desde el bloque de distribución.
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Protección y diagnóstico del módulo mediante un fusible electrónico integrado por canal.
En la tabla 2.9 se indican los datos técnicos generales del módulo de Salidas Digitales.
Tabla 2.9. Datos técnicos generales del módulo de Salidas Digitales.
Tipo. CPX-8DA.
Número de parte. 541482.
Cantidad de salidas. 8.
Alimentación máxima de corriente por módulo. 4A. Protección por fusible electrónico interno. Por canal. Consumo de corriente del módulo. 16 mA.
Tensión de funcionamiento. 24 V DC, 18… 0 V DC. Tiempo de respuesta inicial. 3 ms (0,1 ms, 10, 20
paramerizables).
Lógica de conmutación. Lógica positiva (PNP).
1 LED para indicar diagnóstico del módulo de
entradas. 1 LED
1 LED para cada canal para indicar el estado de
canal. (8 LED en total).
Diagnóstico de cortocircuito o sobrecarga en el
canal. 1 led.
Parametrización:
• Control del módulo. • Características después de
cortocircuito.
• Puesta a modo seguro del canal. • Forzamiento de canal.
Rango de temperatura de operación. –5 °C …+50 °C. Rango de temperatura para almacenamiento o
transporte. –20 °C … +70 °C
Materiales: poliamida- reforzada y
policarbonato. Dimensiones (incluyendo el bloque de
distribución y la placa de alimentación):
50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto.
Peso. 38 g.
c) Modulo de 4 Entradas Analógicas.
En la figura 2.13 se ilustra el modulo de entradas analógicas que se utilizan para el accionamiento de equipos con interface analógica normalizada, tales como transmisores de
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presión, nivel, caudal, etc. Según el bloque de distribución elegido, el módulo dispone de conectores diferentes (de ocupación simple y doble) para diversos tipos de conexiones. Se aprecia que el módulo de entradas analógicas físicamente es igual al módulo de entradas digitales, este diseño es para que el módulo pueda adaptarse a las bases de la terminal CPX.
Figura 2.13. Módulo de Entradas analógicas tipo CPX-4AE-I. Aplicaciones del Módulo de entradas analógicas.
Módulo analógico se aplica para señales analógicas como: 0 …10 V, 0 … 20 mA o 4 … 20 mA.
Placas de alimentación con conexiones M12, Sub-D y bornes. Parametrización de las características del módulo.
Disponibilidad de datos de diversos formatos.
Funcionamiento posible con o sin separación galvánica.
La tensión para la electrónica y los detectores se alimenta a través del módulo analógico desde el bloque de distribución
Protección y diagnóstico del módulo analógico mediante fusible electrónico integrado.
En la tabla 2.10 se indican los datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas de 4 a 20 mA.
Tabla 2.10. Datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas.
Tipo. CPX-4AE-I.
Número de parte. 541484.
Cantidad de Entradas Analógicas. 4. Alimentación máxima de corriente por módulo. 0.7A. Protección por fusible electrónico interno para
Capítulo 2 Ingeniería básica
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Continuacion de tabla 2.10.
Consumo 24 V para la alimentación de los
transmisores (corriente reposo). 50 mA. Consumo a 24 V para la alimentación de los
transmisores (plena carga) máximo. 70 mA.
Tensión de alimentación para los transmisores. 24 V DC ± 25%.
Margen de señales. 0…10 V CD
Resolución. 12 bits.
Cantidad de unidades. 4096.
Precisión ± 5%.
Resistencia de entrada. 100 KΩ.
Tensión de entrada máxima. 30 VCD.
Tiempo de respuesta inicial. 3 ms (0,1 ms, 10, 20 parametrizables).
Lógica de conmutación. Lógica positiva (PNP).
1 LED para indicar diagnóstico del módulo de
entradas. 1 LED.
1 LED para cada canal para indicar el estado de
canal. (1 LEDS en total).
Diagnóstico:
• Error de parametrización.
• Corto circuito o sobrecarga en la alimentación de los
transmisores.
• Por debajo del margen nominal o valor final de escala.
• Por encima del margen nominal o valor final de escala.
• Ruptura de cable (con margen de medición de 4 …20 mA). Parametrización: • Control de cortocircuito en alimentación de sensores o transmisores. • Características después de cortocircuito en la alimentación de los sensores. • Formato de datos.
• Valor límite inferior o valor final de escala.
• Valor límite superior o valor final de escala.
• Control si el valor es inferior o superior al valor mínimo o valor final de escala.
• Control de ruptura de cable. • Márgenes de señales.
Capítulo 2 Ingeniería básica
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Continuación de tabla 2.10.
Rango de temperatura de operación. –5 °C …+50 °C. Rango de temperatura para almacenamiento o
transporte. –20 °C … +70 °C
Materiales. Polímero. Dimensiones (incluyendo el bloque de
distribución y la placa de alimentación):
50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto.
Peso. 38 g.
d) Modulo de 4 Entradas Analógicas para RTD PT100.
En la figura 2.14 se muestra el módulo de entradas analógicas CPX-PT100 con cuatro canales para la detección de temperatura, permite la conexión de máximo cuatro sensores de temperatura del tipo PT100-PT1000, Ni100-Ni1000 etc. Dependiendo de la placa de alimentación elegida, el módulo de temperatura provisto de diversas cantidades de conectores y bornes, admite diversos tipos de conexiones.
Figura 2.14.Módulo de Entradas Analógicas tipo CPX-PT100. Aplicaciones del Módulo de Entradas Analógicas para RTD PT100.
Módulo para sensores de temperatura PT100, PT200, PT500, PT1000, Ni100, Ni120, Ni500, Ni1000.
Para placas de alimentación con conexiones M12, Harax y bornes. Parametrización de las características del módulo de temperatura. Conexión de 2, 3 ó 4 hilos.
La tensión para la electrónica y los detectores se alimenta a través del módulo de temperatura desde el bloque de distribución.
Protección y diagnóstico del módulo de temperatura mediante fusible electrónico integrado.
Capítulo 2 Ingeniería básica
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En la tabla 2.11 se indican los datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas para RTD PT100.
Tabla 2.11. Datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas para RTD PT100.
Tipo. CPX-4AE-T.
Número de parte. 541486.
Cantidad de Entradas Analógicas. 2 ó 4 a elegir. Alimentación máxima de corriente por módulo. 0.7A.
Protección por fusible electrónico interno para
la alimentación de los RTD. Por canal. Consumo 24 V para la alimentación de los
sensores (corriente reposo). 50 mA.
Tensión de alimentación para los sensores. 24 V DC ± 25%. EL tipo de sensor es (parametrizaje por canales
mediante conmutador DIL)
PT100, PT200, PT500, PT1000, Ni100, Ni120, Ni500, Ni1000. Rango de Temperatura. • Pt –200… +850°C. • Ni –60 … +180 °C.
Numero de hilos de conexión. 2, 3 ó 4 hilos.
Margen de señales. 0…10 V CD
Resolución. Resolución 15 signo + bit.
Resistencia máxima por hilo. 10 Ω.
Límite de error de temperatura en relación con
la entrada. ±0,001 %.
Error de linealidad (sin factor de escala
mediante software) ±0,02 %.
Límite de error básico. (25 °C).
Longitud de la línea máximo. 200 m (apantallada). Tensión de entrada máxima admisible. ±30 V.
Tiempo de ciclo (módulo). ≤ 250 ms.
Lógica de conmutación. Lógica positiva (PNP).
1 LED para indicar diagnóstico del módulo de
entradas. 1 LED.
1 LED para cada canal para indicar el estado de
canal. (1 LEDS en total).
Diagnóstico:
• Canal de cortocircuito o sobrecarga.
• Error de parametrización. • Por debajo del margen nominal
o valor final de escala.
• Por encima del margen nominal o valor final de escala.
Capítulo 2 Ingeniería básica 71 Continuación de tabla 2.11. Parametrización: • Magnitud de medición y supresión de frecuencia de interferencia. • Indicación de diagnóstico en caso de ruptura de cable o cortocircuito.
• Control de valor límite por canal.
• Técnica de conexión de sensores.
• Tipo de sensor, coeficiente de temperatura, margen de temperatura.
• Valor límite por canal. • Nivelación del valor medido. Rango de temperatura de operación. –5 °C …+50 °C.
Rango de temperatura para almacenamiento o
transporte. –20 °C … +70 °C
Materiales. Polímero. Dimensiones (incluyendo el bloque de
distribución y la placa de alimentación): 50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto.
Peso. 38 g.
e) Modulo de Salidas Analógicas.
En la figura 2.15 se muestra uno de los módulos de salidas analógicas, los cuales se utilizan para el accionamiento de equipos con interface analógica normalizada, tales como válvulas proporcionales, variadores de velocidad, servomotores, etc. Según el bloque de distribución elegido, el módulo dispone de conectores diferentes (de ocupación simple y doble) para diversos tipos de conexiones.
Capítulo 2 Ingeniería básica
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Aplicaciones del Módulo de salidas analógicas.
Módulo analógico para 0 … 10 V, 0 … 20mA o 4 … 20 mA. Para placas de alimentación con conexiones M12, Sub-D y bornes. Parametrización de las características del módulo.
Disponibilidad de datos de diversos formatos.
Funcionamiento posible con o sin separación galvánica.
La tensión para la electrónica y los actuadores se alimenta a través del módulo analógico desde el bloque de distribución.
Protección y diagnóstico del módulo analógico mediante fusible electrónico integrado.
En la tabla 2.12 se indican los datos técnicos generales del módulo de Salidas Analógicas de 4 a 20 mA.
Tabla 2.12. Datos técnicos generales del módulo de Salidas Analógicas de 4 a 20 mA.
Tipo. CPX-2AA-U-I.
Número de parte. 526170.
Salida de tensión o corriente. 4 … 20 mA.
Tiempo de estabilización: Carga óhmica 0,1 ms. Capacitiva 0,7 ms. Inductiva – 0,5 ms. Cantidad de Salidas Analógicas. 2.
Formato de datos
15 bit + signo, escala lineal.
12 bit derecha, compatible con tipo 03.
12 bit izquierda, compatible con S7.
12 bit izquierda, compatible con S5.
Longitud de la línea máxima. 30 m (apantallada) Alimentación máxima de corriente por módulo. 0.7A.
Diagnóstico:
• Cortocircuito o sobrecarga en la alimentación de los actuadores. • Error de parametrización.
• Por debajo o encima del margen nominal o valor final de escala. • Rotura de cable.
Capítulo 2 Ingeniería básica
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Continuación de tabla 2.12.
Rango de temperatura para almacenamiento o
transporte. –20 °C … +70 °C
Materiales. Polímero. Dimensiones (incluyendo el bloque de
distribución y la placa de alimentación):
50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto.
Peso. 38 g.
2.4.2.2 Dimensionamiento del PLC CPX de Festo.
Para realizar la arquitectura de control es necesario tener el dimensionamiento del PLC CPX, el cual se realiza en base a un sumario del total de las señales del proceso bacterinas, este sumario se hace contabilizando el número de instrumentos de medición y control que tienen señales analógicas y digitales, tomando como base el documento de ingeniería que es el Diagrama de Tuberías e Instrumentación mostrado en las figuras 2.7, 2.8 y 2.9.
Para el proyecto del proceso bacterinas se requiere un número considerable de señales de entradas y salidas tanto analógicas como digitales, el PLC del tipo CPX es expandible hasta 9 módulos de entradas y salidas, cantidad suficiente para cubrir las necesidades en cuanto a señales se refiere.
Para determinar el número de módulos de entradas y salidas tanto analógicas como digitales que para el dimensionamiento del PLC, es necesario recurrir a un sumario se señales como el mostrado en la tabla 2.13.
Tabla 2.13. Sumario de señales del proceso bacterinas.
Donde: