I
NSTITUTO
P
OLITÉCNICO
N
ACIONAL
ESCUELASUPERIOR DEINGENIERÍAMECÁNICA Y ELÉCTRICAUNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
“DESARROLLO DE UNA
HMI
PARA L
A
O
PERACIÓN
Y
MONITOREO
REMOTO
DE
BOMBAS
”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
I
NGENIEROE
NC
ONTROLY A
UTOMATIZACIÓNPRESENTA:
C. S
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AZQUEZDIRECCIÓN DE TESIS:
M. EN C. MAURICIO AARÓN PÉREZ ROMERO ING. EDUARDO ESPINOSA SILVA DORAY
AVISO LEGAL
ÍNDICE
I. RESUMEN ... xi
II. OBJETIVO ... xii
III. ALCANCE ... xiiii
IV. INTRODUCCIÓN ... xiv
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA... 15
1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PLANTA ... 1
1.1.2 ALMACÉN DE LECHE EN POLVO ... 1
1.1.3 REHIDRATADO ... 1
1.1.4 DESCREMADO ... 1
1.1.5 ALMACÉN DE GRASA VEGETAL ... 2
1.1.6 PASTEURIZACIÓN ... 2
1.1.7 ENVASADO ... 2
1.1.8 LAVADO DE CANASTILLAS ... 2
1.1.9 ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA ... 2
1.2 CONDICIÓN ACTUAL DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA ... 3
1.2.1 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO DE AGUA POTABLE ... 4
1.2.2 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO DE AGUA HELADA Y PROCESO DE AMONIACO4 1.2.3 ETAPA DE GENERACIÓN DE VAPOR ... 5
1.2.4 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO PARA AGUA FRÍA ... 5
1.2.5 ETAPA DE GENERACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO ... 6
1.3 PROBLEMÁTICA A TRATAR DEL ÁREA DE SERVICIOS ... 7
1.3.1 BOMBAS DE ESTUDIO ... 9
1.4 REQUERIMIENTOS ... 11
1.4.1 INSTRUMENTACIÓN ... 11
1.4.2 CONTROLADOR ... 11
1.4.3 COMUNICACIÓN Y COMPATIBILIDAD ... 11
ii
PROLOGOCAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS ... 13
2.1 DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA DE SOLUCIÓN ... 14
2.2 SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN ... 15
2.2.1 TRANSMISOR PARA MEDICIÓN DE PRESIÓN ... 16
2.2.2 TRANSMISOR PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA ... 16
2.2.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA LA INSTRUMENTACIÓN ... 19
2.2.4 SELECCIÓN DE MODELO Y FABRICANTE ... 19
2.3 SELECCIÓN DEL CONTROLADOR ... 22
2.3.1 TIPOS DE PLC ... 24
2.3.2 PLC COMPACTOS ... 24
2.3.3 PLC MODULARES ... 25
2.3.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL CONTROLADOR ... 26
2.3.5 SELECCIÓN DE GAMA Y MODELO DE FABRICANTE ... 27
2.4 SELECCIÓN DE LA RED DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ... 28
2.4.1 COMUNICACIONES INDUSTRIALES ... 28
2.4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA RED DE COMUNICACIÓN ... 29
2.4.3 SELECCIÓN DE RED DE COMUNICACIÓN ... 29
2.5 SELECCIÓN DE LA INTERFAZ GRÁFICA (HMI) ... 32
2.5.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE PLATAFORMA DE HMI ... 34
2.5.2 SELECCIÓN DE PLATAFORMA DE HMI ... 35
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA PROPUESTA ... 37
3.1 ARQUITECTURA DEL SISTEMA PROPUESTO ... 38
3.2 CONFIGURACION PARA PLC’S Y ENTRADAS ANALOGICAS ... 46
3.2.1 CONFIGURACIÓN DE LOS MÓDULOS DE EXPANSIÓN EN RSLOGIX 500... 48
3.2.2 ESCALAMIENTO PARA SEÑALES ANALÓGICAS ... 51
3.3 GENERALIDADES PARA LA PROGRAMACION DE LOS PLC’s ... 53
3.3.1 ESCALAMIENTO DE TRANSMISORES ... 53
3.3.2 ACCIONAMIENTO DE BOMBAS ... 55
3.3.3 CONTEO DE HORAS DE OPERACIÓN DE BOMBAS ... 56
3.4.1 ARQUITECTURA DE LA INTERFAZ ... 58
3.4.2 CONFIGURACIONES INICIALES ... 60
3.4.3 GENERACIÓN DE UNA PLANTILLA GENERAL ... 63
3.4.4 DESARROLLO DE LA PANTALLA NO. 1 “MENÚ PRINCIPAL” ... 68
3.4.5 DESARROLLO DE LA PANTALLA NO. 2 “AGUA HELADA” ... 70
3.4.6 DESARROLLO DE LA PANTALLA NO. 3 “AGUA FRÍA”... 74
3.4.7 DESARROLLO DE LA PANTALLA NO. “AGUA POTABLE” ... 76
3.4.8 DESARROLLO Y CONFIGURACIÓN DE TENDENCIAS ... 77
3.4.9 DESARROLLO DE LAS PANTALLAS DE T. DE OPERACIÓN DE LAS BOMBAS ... 85
3.4.10 DESARROLLO Y CONFIGURACIÓN DE LAS PANTALLAS DE ALARMAS ... 88
3.4.11 DESARROLLO DE LA PANTALLA DE BIENVENIDA Y CONFIGURACIÓN DE SEGURIDAD ... 92
3.5 DESARROLLO DE LA RED DE COMUNICACIÓN ... 96
3.5.1 CONFIGURACIÓN DE LA RED ... 97
3.5.2 CONFIGURACIÓN DE LA COMUNICACIÓN PARA HMI ... 102
3.6 DISEÑO DE TABLERO DE CONTROL ... 104
3.6.1 GABINETE ... 104
3.6.2 DISTRIBUCIÓN DE EQUIPOS EN GABINETE ... 104
3.6.3 DIAGRAMA ELÉCTRICO A 127 V CA ... 106
3.6.4 DIAGRAMA ELÉCTRICO A 24 V CD ... 106
3.6.5 ENTRADAS DIGITALES (TTDI) ... 106
3.6.6 SALIDAS DIGITALES (TTDO) ... 107
3.6.7 ENTRADAS ANALÓGICAS (TTAI) ... 107
3.7 PRUEBAS EN SITIO Y PUESTA EN MARCHA ... 108
3.7.1 COMISIONAMIENTO Y PRUEBAS EN PLANTA ... 108
3.7.2 PROCEDIMIENTOS PARA LA PUESTA EN MARCHA ... 110
CAPÍTULO 4 SIMULACIÓN, PRUEBAS Y RESULTADOS ... 112
4.1 CONSIDERACIONES PARA LA SIMULACIÓN ... 113
4.1.1 CONSIDERACIONES PARA CONTROLADORES ... 113
4.1.2 CONSIDERACIONES PARA INSTRUMENTACIÓN ... 114
4.1.3 CONSIDERACIONES PARA SOFTWARE ... 115
iv
PROLOGO4.2 SIMULACIÓN GENERAL DEL SISTEMA ... 118
4.2.1 PRUEBA DE SEGURIDAD ... 118
4.2.2 PRUEBA DE ACCIONAMIENTO DE BOMBAS ... 120
4.2.3 PRUEBA DE MENSAJES LOCALES Y DISPLAY NUMÉRICOS ... 121
4.2.4 PRUEBA DE TENDENCIAS ... 122
4.2.5 PRUEBA DE TIEMPO DE OPERACIÓN DE BOMBAS ... 123
4.2.6 PRUEBA DE DISPARO DE ALARMAS ... 124
4.2.7 PRUEBA DE HISTORIAL DE ALARMAS ... 125
CAPÍTULO 5 PROPUESTA ECONÓMICA ... 126
5.1 COTIZACIÓN DE EQUIPO ... 127
5.2 COTIZACIÓN DE MATERIAL ... 127
5.3 COTIZACIÓN DE SOFTWARE Y LICENCIA ... 129
5.4 COTIZACIÓN DE SERVICIOS DE INGENIERÍA ... 129
5.5 TOTAL ... 130
CONCLUSIONES ... 131
APÉNDICE A PROGRAMA DEL PLC NO. 1 ... 134
APÉNDICE B PROGRAMA DEL PLC NO. 2 ... 151
APÉNDICE C DIAGRAMAS DEL GABINETE DE CONTROL ... 164
APÉNDICE D DIAGRAMAS DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN ... 177
ANEXO A HOJAS DE DATOS DE INSTRUMENTACIÓN ... 181
ANEXO B HOJA DE DATOS PLA MICROLOGIX 1100 ... 188
RELACIÓN DE FIGURAS
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
Figura 1 Distribución de áreas de la planta productora de leche. ... 1
Figura 2 Diagrama de bloques del área de servicios a planta. ... 3
Figura 3 Bombas para el envío de agua potable. ... 4
Figura 4 Bombas para el envío de glicol. ... 5
Figura 5 Bombas para envío de agua fría. ... 6
Figura 6 Unidades compresoras de aire. ... 6
Figura 7 Bombas del área de servicios a planta con accionamiento manual... 7
Figura8 Elementos primarios de medición en el área de servicios a planta. ... 7
Figura9 Verificación de temperatura mediante un termómetro patrón de mercurio en la entrada de fluidos de servicios a planta a la etapa de Pasteurización. ... 8
Figura10 Diagrama de distribución de áreas de servicios a planta y ubicación de las bombas de estudio. ... 9
CAPÍTULO 2 PROPUESTA SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS Figura 11 Esquema de composición general del sistema propuesto. ... 14
Figura 12 a) Manómetro en acero inoxidable [2], b) Termómetro bimetálico en acero inoxidable [3]. ... 15
Figura 13 Ejemplo de transmisores [4]. ... 15
Figura 14 Esquema de funcionamiento de un transmisor de presión [1]. ... 16
Figura 15 Esquema de funcionamiento de un termopar [5]. ... 17
Figura 16 Transductor basado en un puente de Wheatstone para una Termoresistencia a 3 hilos [5]. ... 17
Figura 17 Tarjeta acondicionadora de señal para RTD, del fabricante “Allen Bradley” [6]. ... 18
Figura 18 Transmisor de presión manométrica, Endress + Hauser PMC131 [8]. ... 20
Figura 19 Transmisor de temperatura RTD, Endress + Hauser TSM487 [9]. ... 21
Figura 20 PLC'S de la gama MicroLogix de Allen Bradley [12]. ... 22
Figura 21 Ejemplos de entradas y salidas para un PLC [13]... 22
Figura 22 Diagrama de bloques de la arquitectura interna de un Controlador Lógico Programable [11]. ... 24
Figura 23 PLC de estructura compacta Mitsubishi Electric [14]. ... 24
Figura 24 PLC de estructura modular “Allen Bradley” [15]... 25
Figura 25 PLC MicroLogix 1100 de Allen Bradley [17]. ... 27
Figura 26 Pirámide jerárquica de las Redes Industriales de las redes más usadas [20]. ... 28
Figura 27 Ejemplo de una red EtherNet/IP con topología estrella. ... 30
vi
PROLOGOFigura 29 Ejemplo de una HMI con “Factory Talk View” [23]. ... 35
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA PROPUESTA Figura 30 Conexión general del sistema propuesto. ... 38
Figura 31 Diagrama de la arquitectura general del sistema. ... 39
Figura 32 Diagrama de tubería e instrumentación para las bombas de agua helada [30]. ... 43
Figura 33 Diagrama de tubería e instrumentación para las bombas de agua fría [30]. ... 44
Figura 34 Diagrama de tubería e instrumentación para las bombas de agua potable [30]. ... 45
Figura 35 Especificación del software utilizado para la programación. ... 48
Figura 36 Selección del PLC para inicio de un nuevo proyecto. ... 48
Figura 37 Adición de módulos de expansión 1762 IF4. ... 49
Figura 38 Ventana de configuración de módulos 1762 IF-4. ... 49
Figura 39 Tabla de entradas físicas disponibles de un PLC. ... 50
Figura 40 Tabla de distribución de memoria de los módulos 1762 IF-4 [24]. ... 50
Figura 41 Circuito de conversión de señales de corriente a tensión [25]. ... 51
Figura 42 Programa principal, donde se encuentran los saltos a las 2 subrutinas principales. ... 53
Figura 43 Parámetros de configuración de la instrucción SCP en el software RSLogix 500. ... 54
Figura 44 Lógica para el accionamiento de la bomba AH-1. ... 55
Figura 45 Lógica para el conteo de horas de operación de la bomba AH-1. ... 56
Figura 46 Arquitectura de la interfaz. ... 60
Figura 47 Ventana de creación de proyectos en Factory Talk View Studio. ... 61
Figura 48 Opción "Project Settings" para configuraciones generales del proyecto. ... 61
Figura 49 Ventana de ajustes generales del proyecto. ... 62
Figura 50 Opción "Display", permite la edición de pantallas y la creación de nuevas. ... 62
Figura 51 Opción "Startup", permite la configuración de ajustes iniciales de la aplicación. ... 63
Figura 52 Ventana "Startup", selección de pantalla inicial. ... 63
Figura 53 Opción "Global Objects", para creación de objetos gráficos con atributos protegidos. 64 Figura 54 Opción "Panel", para creación de objetos gráficos tipo panel de uso general. ... 64
Figura 55 Ventana de propiedades de "Panel", para modificación de parámetros visuales. ... 64
Figura 56 Ventana "Image Browser", para la inserción de imágenes en las pantallas gráficas. .... 65
Figura 57 Conjunto de paneles superiores de la plantilla para la aplicación... 65
Figura 58 Configuración del display de fecha y hora. ... 66
Figura 59 Configuración del display de fecha y hora. ... 66
Figura 60 Ventana “Tag Browser”, para mostrar todas las fuentes de datos disponibles. ... 67
Figura 61 Diseño final de los paneles inferiores de la plantilla general de la aplicación. ... 67
Figura 62 Diseño final de la plantilla para la aplicación. ... 68
Figura 63 Imágenes representativas de cada área para el diseño del menú principal. ... 68
Figura 64 Botones de navegación para acceso a las pantallas de las demás áreas. ... 69
Figura 65 Configuración para los botones de navegación. ... 69
Figura 67 Configuración para el botón de cierre de sesión. ... 70
Figura 68 Configuración para el botón de cierre de sesión. ... 70
Figura 69 Modelo CAD representativo del área de Agua Helada. ... 71
Figura 70 Configuración de indicadores multiestado para la visualización de operación de bombas. ... 71
Figura 71 Distribución de los indicadores para cada una de las bombas de agua helada. ... 72
Figura 72 Distribución de los display numéricos para las bombas de agua helada. ... 72
Figura 73 Distribución de los display de mensajes locales para cada bomba. ... 73
Figura 74 Opción “Local Messages”, permite la configuración de mensajes locales. ... 73
Figura 75 Configuración de “Local Messages” para ambas variables. ... 73
Figura 76 Diseño final para la pantalla de Agua Helada. ... 74
Figura 77 Elementos copiados para el desarrollo de la pantalla de Agua Fría... 75
Figura 78 Modelo CAD para la pantalla de Agua Fría. ... 75
Figura 79 Diseño final para la pantalla de Agua Fría. ... 76
Figura 80 Diseño final para la pantalla de Agua Potable. ... 76
Figura 81 Modelo CAD para la pantalla de Agua Potable. ... 77
Figura 82 Elementos copiados para el desarrollo de las pantallas de tendencias. ... 77
Figura 83 Opción de “Libraries”, permite la adición de objetos gráficos prediseñados. ... 78
Figura 84 Plantilla para tendencias de la opción “Libraries”. ... 78
Figura 85 Personalización de los botones de la plantilla de tendencias. ... 79
Figura 86 Adición de 3 display numéricos para visualización del valor de las variables registradas. ... 79
Figura 87 Pantalla de configuración de modelo de registro de datos. ... 80
Figura 88 Especificación para el muestreo de datos. ... 80
Figura 89 Especificación de datos para el registro. ... 81
Figura 90 Ventana de propiedades de la gráfica de tendencias. ... 81
Figura 91 Diseño final de la pantalla de tendencias para presión de las bombas AH. ... 82
Figura 92 Diseño final de la pantalla de tendencias para presión de las bombas AF. ... 82
Figura 93 Diseño final de la pantalla de tendencias para presión de las bombas AP. ... 83
Figura 94 Diseño final de la pantalla de tendencias para temperatura de las bombas AH. ... 83
Figura 95 Diseño final de la pantalla de tendencias para temperatura de las bombas AF. ... 84
Figura 96 Diseño final de la pantalla de tendencias para temperatura de las bombas AP. ... 84
Figura 97 Plantilla para la generación de las pantallas de tiempo de operación. ... 85
Figura 98 Conjunto de display numéricos para el conteo de tiempo de operación para cada bomba. ... 85
Figura 99 Archivo de mensajes para aviso de mantenimiento de bombas. ... 86
Figura 100 Diseño final para la pantalla de registro de tiempo de operación de bombas AH. ... 86
Figura 101 Diseño final para la pantalla de registro de tiempo de operación de bombas AF. ... 87
Figura 102 Diseño final para la pantalla de registro de tiempo de operación de bombas AP. ... 87
Figura 103 Plantilla de librerías para el historial de alarmas. ... 88
viii
PROLOGOFigura 105 Personalización de la ventana de mensajes de la pantalla de Historial de Alarmas. ... 89
Figura 106 Diseño final de la pantalla de Historial de Alarmas. ... 90
Figura 107 Diseño final de la pantalla emergente de Alarmas. ... 90
Figura 108 Opción “Alarm Setup”, para configuración de disparadores y mensajes de alarmas. . 90 Figura 109 Configuración de disparadores de alarmas. ... 91
Figura 110 Configuración de mensajes de alarmas. ... 91
Figura 111 Prueba de ventana emergente de alarmas. ... 92
Figura 112 Diseño de la pantalla de bienvenida “0 HOME”. ... 92
Figura 113 Configuración del botón para inicio de sesión. ... 93
Figura 114 Prueba de operación de botón para inicio de sesión. ... 93
Figura 115 Opción “Runtime Security”, para configuración de seguridad para la aplicación. ... 93
Figura 116 Ventana de gestión de usuarios y seguridad para la aplicación. ... 94
Figura 117 Ventana de registro para nuevos usuarios. ... 94
Figura 118 Ventana de registro para nuevos usuarios y selección de atributos de acceso. ... 95
Figura 119 Ventana de registro para nuevos usuarios y selección de atributos de acceso. ... 95
Figura 120 Topología de red EtherNet/IP realizada para la solución. ... 96
Figura 121 Selección de la red de área local de la computadora donde correrá la aplicación. ... 97
Figura 122 Ventana de propiedades de la conexión de área local y selección de protocolo TCP/IP. ... 97
Figura 123 Ventana de propiedades del protocolo TCP/IP, para asignación de dirección IP. ... 98
Figura 124 S witch de Ethernet con luces indicadoras de comunicación... 98
Figura 125 Ventana del software BOOTP/DHCP Server, para asignación de IP’s a los PLC’s.. . 99
Figura 126 Verificación de dirección MAC del PLC en su display integrado. ... 99
Figura 127 Asignación de IP para el PLC No.1. ... 100
Figura 128 Asignación de IP para el PLC No.2. ... 100
Figura 129 Verificación de correcta asignación de las direcciones IP a cada uno de los PLC. ... 100
Figura 130 Opción “Configure Drivers”, para la configuración de controladores de Red. ... 101
Figura 131 Ventana “Configure Drivers”, para la adición del driver para la red EtherNet/IP. .... 101
Figura 132 Ventana “RS Who”, para verificación de dispositivos conectados la red EtherNet/IP. ... 102
Figura 133 Opción de comunicación con “RSLinx Enterprise” en el árbol de proyecto de Factory Talk View Studio. ... 102
Figura 134 Ventana de “RSLinx Enterprise” para configuración de comunicación con los PLC’s. ... 102
Figura 135 Vinculación de cada atajo con el respectivo PLC que contiene el programa correspondiente. ... 103
Figura 136 Copia de comunicación de diseño a comunicación para aplicación. ... 103
Figura 137 Botones para la verificación de la comunicación y finalización. ... 103
Figura 138 Diagrama de distribución de equipos en gabinete. ... 105
Figura 139 Diagrama de conexión para entradas digitales [18]. ... 106
Figura 141 Diagrama de conexión para señales Analógicas [24]. ... 107
CAPÍTULO 4 SIMULACIÓN, PRUEBAS Y RESULTADOS Figura 142 Tableros de pruebas con PLC’s MicroLogix 1100 1763-L16BWA. ... 113
Figura 143 Módulos de divisores de tensión para simulación de entradas analógicas en tensión. ... 114
Figura 144 Botonera con divisor de tensión de un tablero de prueba de PLC. ... 115
Figura 145 Modificación de parámetros de la instrucción SCP. ... 116
Figura 146 Prueba de la pantalla de inicio. ... 118
Figura 147 Prueba de inicio de sesión para seguridad. ... 118
Figura 148 Inicio de sesión correcto para el acceso al menú principal. ... 119
Figura 149 Acceso a la pantalla de menú principal. ... 119
Figura 150 Prueba de accionamiento de bombas de la pantalla de Agua Helada. ... 120
Figura 151 Prueba de los indicadores multiestado para indicación de operación de las bombas 120 Figura 152 Prueba del escalamiento de las señales de los divisores de tensión. ... 121
Figura 153 Prueba de los display numéricos y de mensajes locales. ... 121
Figura 154 Prueba de la pantalla de tendencias de presión para las bombas AH. ... 122
Figura 155 Prueba de la pantalla de tendencias de temperatura para las bombas AH. ... 122
Figura 156 Prueba de la pantalla de conteo de tiempo de operación para las bombas AH. ... 123
Figura 157 Prueba de mensajes de mantenimiento y cambio de color de objetos de la pantalla tiempo de operación para bombas AH. ... 123
Figura 158 Prueba de disparo de alarmas... 124
Figura 159 Prueba de disparo de alarma por sobrecarga en bomba. ... 124
Figura 160 Prueba de la pantalla de historial de las alarmas... 125
Figura 161 Prueba de acciones de la pantalla de historial de las alarmas. ... 125
RELACIÓN DE TABLAS
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA Tabla 1 Concentrado de información recopilada del levantamiento de datos. ... 10CAPÍTULO 2 PROPUESTA SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS Tabla 2 Características generales de los RTD y Termopares [7]. ... 18
Tabla 3 Criterios de selección para los transmisores. ... 19
x
PROLOGOTabla 5 Especificaciones de los transmisores de temperatura RTD, TSM487/B/DD y
TSM487/B/FE [27]. ... 21
Tabla 6 Criterios de selección para PLC. ... 26
Tabla 7 Características del PLC seleccionado [18]. ... 27
Tabla 8 Criterios de selección para red de comunicación industrial de la propuesta. ... 29
Tabla 9 Criterios de selección para plataforma de HMI. ... 35
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA PROPUESTA Tabla 10 Distribución de equipos para los dos PLC's. ... 40
Tabla 11 Índice de instrumentación. ... 40
Tabla 12 Distribución de entradas y salidas para el PLC1. ... 46
Tabla 13 Distribución de entradas y salidas para PLC2. ... 47
Tabla 14 Equivalencias de señales y resoluciones, para entradas analógicas. ... 52
Tabla 15 Equivalencias entre variables físicas y resoluciones. ... 52
Tabla 16 Parámetros de la instrucción SCP para transmisores de presión. ... 54
Tabla 17 Tabla de características generales de la interfaz desarrollada. ... 57
Tabla 18 Versiones de la plataforma Factory Talk View. ... 57
Tabla 19 Pantallas generadas para la interfaz... 58
Tabla 20 Asignación de direcciones IP. ... 96
Tabla 21 Características del Gabinete de Control. ... 104
Tabla 22 Lista de componentes instalados en gabinete. ... 105
CAPÍTULO 4 SIMULACIÓN, PRUEBAS Y RESULTADOS Tabla 23 Características generales del PLC MicroLogix 1100 1763-L16BWA [18]. ... 113
Tabla 24 Equivalencias de variables para los divisores de tensión. ... 114
Tabla 25 Distribución de divisores de tensión para las pruebas. ... 115
Tabla 26 Operación del contacto de protección de sobrecarga O.L. en el programa original y el de pruebas. ... 117
CAPÍTULO 5 PROPUESTA ECONÓMICA Tabla 27 Cotización de equipo para la propuesta. ... 127
Tabla 28 Cotización de material para el sistema. ... 128
Tabla 29 Cotización de software para el sistema. ... 129
I.
RESUMEN
Una parte fundamental de la formación profesional del alumno, es el desarrollo de proyectos que integren distintas áreas de la Ingeniería en Control y Automatización con la finalidad de generar soluciones firmemente sustentadas para la industria. Según lo planteado, el presente trabajo se enfoca en la adquisición de datos de proceso para su posterior gestión y visualización en un sistema de monitoreo que brinde mayor información al personal y así evitar dificultades en la producción.
Partiendo de la problemática expuesta en el primer capítulo se generó una propuesta, en la que se hace una selección de instrumentación industrial para realizar la medición de las variables de presión y temperatura, los controladores que se encarga de leer la información suministrada por los instrumentos, acondicionarla y enviarla al sistema de visualización, además que realiza el accionamiento electrónico remoto de las bombas así como su desconexión en caso de falla, la red de comunicación que se encarga de la interconexión de los controladores con el sistema de monitoreo y un software de visualización en el cual se desarrolló toda la aplicación de la interfaz gráfica.
También en el escrito se detalla todo el marco teórico básico necesario para comprensión del funcionamiento de cada uno de los componentes, así como su configuración y acondicionamientos que fueron necesarios durante el desarrollo de la solución.
xii
PROLOGOII.
OBJETIVO
Desarrollar un interfaz humano máquina (HMI) para el accionamiento de bombas y monitoreo de las variables presión y temperatura, del área de servicios a planta, de una fábrica productora de leche usando la plataforma Factory Talk View ME.
Para lograr lo anterior, es necesario cumplir con los siguientes objetivos específicos:
Seleccionar la instrumentación industrial necesaria para la adquisición de datos de presión y temperatura a la salida de las bombas.
Seleccionar un controlador lógico programable (PLC), para manipular el sistema propuesto.
Desarrollar un programa en lenguaje escalera para el controlador.
Seleccionar una red de comunicación industrial necesario para llevar acabo la conexión del sistema.
Desarrollar una interfaz gráfica de usuario capaz de accionar bombas, así como también monitorear presión y temperatura a la salida de ellas.
III.
ALCANCE
Desarrollar una interfaz gráfica funcional, utilizando el software Factory Talk View ME, diseñada para el accionamiento de bombas y el monitoreo de las variables presión y temperatura. También se describe la programación del PLC Allen Bradley MicroLogix 1100 con el software RSLogix 500 el cual es capaz de manipular la etapa de estudio.
xiv
PROLOGOIV.
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo se enfoca al desarrollo de un interfaz humano máquina que tiene como objetivo primordial el accionamiento de bombas y la medición de las variables presión y temperatura, aplicado a un área de acondicionamiento de fluidos.
En el Capítulo 1 se detalla el problema existente en el área, la ubicación y especificación de las bombas en cuestión, la aplicación que tendrá la interfaz para la resolución de la problemática y los requerimientos básicos que necesita tener el sistema.
En el Capítulo 2 basándose en la problemática existente y en la lista de requerimientos básicos necesarios, se expone la propuesta de solución. Se especifica la selección de instrumentación, comunicaciones, controlador e interfaz.
En el Capítulo 3 partiendo de la propuesta de solución se expone: la arquitectura y composición del sistema, los diagramas de tubería e instrumentación (DTI), el desarrollo de la programación del controlador, el diseño de la interfaz y la configuración de la comunicación.
Posteriormente en el Capítulo 4, se explica la simulación del sistema, así como sus pruebas y resultados.
Finalmente, en el Capítulo 5 se realiza una propuesta económica del sistema generado. Cabe señalar que las unidades de medida ocupadas en el presente trabajo son las siguientes:
MAGNITUD UNIDAD SÍMBOLO
TENSIÓN VOLT V CA, V CD
CORRIENTE AMPER A, mA
RESISTENCIA OHM Ω
POTENCIA MECÁNICA CABALLO DE FUERZA hp
POTENCIA ELÉCTRICA WATT W
PRESIÓN KILOGRAMO FUERZA/CENTÍMETRO CUADRADO, BARES / 2, bar.
TEMPERATURA GRADOS CELSIUS °C
CAPÍTULO
1
1
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
1.1
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PLANTA
La planta productora de leche se compone principalmente de 9 áreas, las cuales se distribuyen y se conectan como se muestra en la Figura 1.
1.1.1 RECEPCIÓN DE LECHE
Es una zona techada que se encuentra al exterior de la planta, cuenta con una zona de carga donde las pipas descargan la leche fresca que es enviada a silos de almacenamiento o a producción de leche Frisia.
1.1.2 ALMACÉN DE LECHE EN POLVO
Es una nave de amplias dimensiones que se encuentra en la parte trasera de la planta, en este lugar se almacena la leche en polvo utilizada en el proceso.
1.1.3 REHIDRATADO
En este cuarto al interior de la planta se encuentran 3 tolvas donde es vaciada la leche en polvo para ser mezclada con grasa vegetal y agua caliente, a esto se le llama reconstitución de leche. Una vez mezclada es enviada a pasteurización.
1.1.4 DESCREMADO
En este cuarto se encuentran 2 descremadoras, que se encargan de separar la
crema de la leche fresca y quitan otros residuos que pudiera tener el producto.
1.1.5 ALMACÉN DE GRASA VEGETAL
Es un cuarto pequeño donde se encuentran dos tanques que almacenan la grasa vegetal, posteriormente es enviada por bombas de baja potencia hacia rehidratado.
1.1.6 PASTEURIZACIÓN
Es la etapa más importante del proceso, aquí es donde se eliminan todas las bacterias del producto mediante intercambiadores de calor. En el área se encuentran 3 líneas de producción y el cuarto de control principal.
1.1.7 ENVASADO
En esta área se encuentran 9 máquinas envasadoras, divididas en 3 columnas y cada columna está conectada por dos bandas transportadoras. El suministro de canastillas llega por la parte posterior del área, las cuales son desviadas equilibradamente hacia las 3 columnas. La primera banda transportadora sirve como suministro de canastillas teniendo desviadores para cada máquina y la segunda banda cumple con la función de transportar las canastillas llenas hacia las estibadoras.
1.1.8 LAVADO DE CANASTILLAS
En esta área se encuentras 2 máquinas especialmente diseñadas para el lavado de canastillas. El sistema de lavado es alimentado por un transportador que lleva canastillas estibadas, hasta que son empujadas por un cilindro neumático hacia el interior de la máquina, finalmente son puestas por unidad en el transportador alimentador de las líneas de envasado.
1.1.9 ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
Es un área de suma importancia para la planta, es la encargada del acondicionamiento de los fluidos necesarios para todo el proceso productivo y la limpieza de la planta.
3
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
1.2
CONDICIÓN ACTUAL DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
Es un lugar de amplias dimensiones que cuenta con una nave y una zona al aire libre. En esta área se encuentran todos los equipos y procesos necesarios para el acondicionamiento de fluidos demandados por la planta como; agua a distintas temperaturas, amoniaco como refrigerante, vapor para suministro de altas temperaturas y aire comprimido para la alimentación neumática utilizada en la planta. Para un mejor entendimiento de estas etapas de acondicionamiento véase la Figura 2, en la cual el agua potable se muestra en color verde, agua helada y amoniaco en amarillo, agua fría en azul, vapor en rojo y aire comprimido en morado.
Cabe mencionar que esta área no cuenta con ningún diagrama de tubería e instrumentación por lo que un alcance adicional del presente escrito es generar los diagramas de las áreas de interés según la norma internacional ANSI/ISA 5.1 2009.
A continuación, se define la condición actual de cada etapa de acondicionamiento de los distintos fluidos antes mencionados.
1.2.1 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO DE AGUA POTABLE
En esta parte del área, se encuentra el suministro de agua de la red estatal, esta pasa por un tratado de cloro y filtros de arena para ser depositada en 2 cisternas con una capacidad de 650 000 L y 550 000 L respectivamente. Posteriormente de la primera cisterna, el agua es enviado por 4 bombas centrífugas (Figura 3), a un conjunto de filtros de carbón activado para finalmente llegar a planta, a los tanques de agua helada, al deareador/condensador para las calderas y a las torres de enfriamiento.
Figura 3 Bombas para el envío de agua potable.
1.2.2 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO DE AGUA HELADA Y PROCESO DE AMONIACO
5
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
gases, etc. El amoniaco gaseoso es utilizado como refrigerante para los cuartos fríos donde se almacena la leche procesada y en los silos donde se almacena la leche para envasado. En la zona también se encuentra 1 tanque de acero inoxidable con enchaquetado que almacena una mezcla de glycol (30%) y agua (70%) a una temperatura de 0 °C, mezcla utilizada para evitar que el agua se congele en las tuberías. Posteriormente el fluido es enviado mediante 3 bombas centrífugas (Figura 4), a los intercambiadores de calor de la etapa de pasteurización.
Figura 4 Bombas para el envío de glicol.
1.2.3 ETAPA DE GENERACIÓN DE VAPOR
Dentro de la nave se encuentran 2 calderas de vapor estas son alimentadas con diésel que se almacena en dos tanques al exterior de la nave. Las calderas se encargan de suministrar vapor en las partes que necesitan altas temperaturas como la pasteurización, la limpieza en sitio (CIP), agua caliente para limpieza en general, etc.
1.2.4 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO PARA AGUA FRÍA
Figura 5 Bombas para envío de agua fría.
1.2.5 ETAPA DE GENERACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO
Esta zona cuenta con dos unidades compresoras de aire (Figura 6). El aire se almacena en un tanque y posteriormente es secado para evitar que tenga residuos de agua. El aire comprimido es utilizado para la alimentación neumática de válvulas y actuadores utilizados en la planta.
Figura 6 Unidades compresoras de aire.
7
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
Figura 8 Elementos primarios de medición en el área de servicios a planta.
1.3
PROBLEMÁTICA A TRATAR DEL ÁREA DE SERVICIOS
La primera situación a resolver consiste en que el accionamiento de las bombas para el envío de agua demandada por la planta (agua potable, agua fría y agua helada) es de forma local, mediante estaciones de botones como se muestra en la
Figura 7. Debido a esto, cuando aumenta la demanda de un fluido es necesario que un operador accione la bomba correspondiente. Que si se toma en cuenta el tiempo desde que se recibe la llamada en el cuarto de control del área y hasta que el operario acude hasta la bomba correspondiente y la acciona, genera tiempo muerto en producción.
Figura 7 Bombas del área de servicios a planta con accionamiento manual.
Por lo tanto, si se desea corroborar una medición, es necesario realizar una medición local.
Una consecuencia derivada de la problemática anterior se presenta en la etapa de pasteurización donde la leche es recirculada en las tuberías sin completar el proceso de producción. Esto se debe a que no se cumplen las condiciones ideales del proceso (presión y temperatura), requeridas en esta etapa. Al no cumplirse estas condiciones, unas válvulas evitan que la leche llegue a los silos de almacenamiento, esta situación provoca retraso de la producción (de 45 minutos).
Dada la situación mencionada en el párrafo anterior, es necesario que el personal correspondiente acceda a la parte superior del área de pasteurización, donde se tienen instalados elementos primarios de presión y temperatura, para la medición a la entrada y salida de los 3 intercambiadores de calor. Esto se realiza con el fin de verificar la temperatura, que es la variable más importante en la etapa, para ello es necesario desmontar el instrumento, verter glicerina en el termopozo y medir la temperatura con un termómetro de mercurio patrón como se muestra en la Figura 9.
Figura 9 Verificación de temperatura mediante un termómetro patrón de mercurio en la entrada de fluidos de
servicios a planta a la etapa de Pasteurización.
9
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
Si se suman los tiempos muertos en la producción, desde la detección de fallas, la comprobación de estas y su corrección; se obtiene un tiempo muerto aproximado de 1 hora, que, si se llegara a presentar el problema más de una vez en un día, se tiene una situación considerable en materia productiva.
1.3.1 BOMBAS DE ESTUDIO
Para terminar con la descripción de la problemática se tiene que las bombas de estudio suman un total de 10; 3 para agua fría (AF–01, AF–02, AF–03), 3 para agua helada (AH–01, AH–02, AH–03) y 4 para agua potable (AP–01, AP–02, AP–03 y AP–04). Las cuales se ubican como se muestra en el siguiente diagrama (Figura 10):
Posteriormente se realizó un levantamiento de datos de las bombas correspondientes, así como también las medidas de las variables de interés antes mencionadas. Con los datos obtenidos se generó la siguiente tabla (Tabla 1), la cual expone el código de bomba, servicio que realiza, potencia, tensión de alimentación, corriente nominal, presión y temperatura promedio a la salida de estas.
Tabla 1 Concentrado de información recopilada del levantamiento de datos.
Con base a las 2 situaciones a resolver mencionadas y con la información recopilada, básicamente se propone un sistema de adquisición de datos para la medición de presión y temperatura a la salida de cada bomba, esto con el fin de tener un monitoreo constante de dichas variables desde el cuarto de control y si se llegara a presentar alguna condición fuera de lo permitido, realizar las acciones necesarias justo a tiempo. También el sistema propuesto tendrá la capacidad de accionar o desactivar las bombas de forma remota sin necesidad de estaciones de botones.
Finalmente, para iniciar con el desarrollo de la propuesta solución, se pidió al personal encargado del área, que generara una lista de requerimientos necesarios en base a la propuesta planteada, esto con el fin de satisfacer las necesidades específicas que se tienen, las cuales se detallan en el siguiente apartado.
SERVICIO CÓDIGO
DE BOMBA
POTENCIA
[hp] ALIMENTACIÓN TENSIÓN DE
[V CA]
CORRIENTE NOMINAL
[A]
PRESIÓN PROMEDIO A LA
SALIDA [��/���]
TEMPERATUR A PROMEDIO A
LA SALIDA [°C]
AGUA
POTABLE AP - 01 50 3ø, 440 65 7 20
AGUA
POTABLE AP - 02 50 3ø, 440 65 7 20
AGUA
POTABLE AP - 03 50 3ø, 440 65 7 20
AGUA
POTABLE AP - 04 50 3ø, 440 65 7 20
AGUA
FRÍA AF - 01 60 3ø, 440 75 5 13
AGUA
FRÍA AF - 02 60 3ø, 440 75 5 13
AGUA
FRÍA AF - 03 60 3ø, 440 75 5 13
AGUA
HELADA AH - 01 30 3ø, 220 40 4 0
AGUA
HELADA AH - 02 30 3ø, 220 40 4 0
AGUA
11
CAPÍTULO 1 PROBLEMÁTICA DEL ÁREA DE SERVICIOS A PLANTA
1.4
REQUERIMIENTOS
Los requerimientos se dividen en 4 partes, que son las fundamentales para el sistema, instrumentación, controlador, comunicación e interfaz gráfica, estos puntos se detallan a continuación:
1.4.1 INSTRUMENTACIÓN
Se requiere una selección de instrumentación industrial que permita la medición y transmisión, de las variables a una interfaz de usuario.
La instrumentación seleccionada debe ser adecuada para los intervalos de las variables presión y temperatura, de 0 / 2 a 10 / 2 y -5 °C a 30 °C respectivamente.
Para evitar gastos mayores, el equipo debe contar con conexión a proceso
roscada de ½”, ya que es con la que se encuentran conectados los
instrumentos actualmente en las tuberías.
Los equipos deben ser resistentes a condiciones de sol y lluvia, ya que la mitad de ellos serán instalados al aire libre.
1.4.2 CONTROLADOR
Preferentemente se requiere un controlador lógico programable de la marca
“Allen Bradley”, debido a que el personal de mantenimiento ya está capacitado con su plataforma de programación y resolución de fallas.
Sus salidas deben ser capaces de energizar relevadores para el accionamiento de bombas de 30 hp hasta 60 hp.
1.4.3 COMUNICACIÓN Y COMPATIBILIDAD
1.4.4 INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO
Para el desarrollo de la interfaz, se tomó como referencia la norma de NRF-226-PEMEX-2009, cabe mencionar que la interfaz no cubre en su totalidad los lineamientos de esta, ya que no cae dentro del campo de aplicación (Plantas de Pemex), solo se usó como guía de diseño y configuración [29].
Teniendo en cuenta los puntos 8.1.3, 8.1.25, 8.1.26, 8.2.5, 8.2.6 de dicha norma las
características más importantes que debe tener la interfaz son las siguientes:
Ésta debe ser de un entorno amigable al usuario, con elementos visuales del proceso, además de tener acceso restringido a personas no autorizadas.
Accionamiento remoto de las bombas. - Poder energizar o apagar las bombas de las distintas áreas mediante la interfaz.
Monitoreo de las variables presión y temperatura a la salida de cada bomba. - Que se muestre la presión y temperatura a la salida de cada bomba en pantalla (el tiempo de respuesta no debe superar 0.5 segundos).
Alarmas por presión alta y presión baja en cada bomba. - Que la interfaz muestre mensajes emergentes de alarma cuanto exista alguna presión por debajo de las condiciones mínimas o en su defecto cuando exista una por arriba de lo permitido.
Alarmas por temperatura alta y temperatura baja en cada bomba. - Que la interfaz muestre mensajes emergentes de alarma cuanto exista alguna temperatura por debajo de las condiciones mínimas o en su defecto cuando exista una por arriba de lo permitido.
Alarma por sobrecarga en el motor de la bomba. - Que la interfaz sea capaz de desconectar las bombas si existe una sobre carga y que muestre un mensaje de donde se encuentra la falla.
Tendencia gráfica de presiones y temperaturas. - Que la interfaz sea capaz de mostrar visualmente el comportamiento de las variables a través del tiempo.
CAPÍTULO
2
2.1
DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA DE SOLUCIÓN
Como se mencionó al final del punto 1.3, se propone un sistema de una interfaz gráfica de usuario capaz de accionar bombas y monitorear las variables presión y temperatura a la salida de dichas bombas. El sistema propuesto se compone principalmente de 4 partes fundamentales, instrumentación, controlador, comunicación e interfaz gráfica, como se muestra en la Figura 11.
Figura 11 Esquema de composición general del sistema propuesto.
Con base a los requerimientos propuestos en el punto 1.4, se generó la selección para cada una de las partes anteriormente mencionadas del sistema propuesto.
PC PRINCIPAL HMI
SWITCH ETHERNET
CONTROLADOR (PLC)
MEDICIÓN DE PRESIÓN
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
ARRANCADOR SUAVE
15
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
2.2
SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN
Esta parte del sistema es la encargada de adquisición y envío de datos de las variables de interés hacia el controlador, para posteriormente ser mostradas por la interfaz, por lo cual prácticamente no son adecuados los instrumentos basados en principios mecánicos y analógicos, debido a que estos solo muestran el valor de la variable medida mediante agujas indicadoras o el movimiento de elementos mecánicos (Figura 12 a, b).
Planteado lo anterior, se tiene que los instrumentos industriales que permiten la medición y a su vez el envío de señales eléctricas equivalentes a la medida de la variable son los transmisores (Figura 13).
Figura 13 Ejemplo de transmisores [4].
Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática o eléctrica. El intervalo de las señales se encuentra normalizado, para señales neumáticas es de 0.20 bar a 1.00
bar y para señales eléctricas es de 4 mA a 20 mA [1]. A continuación, se detalla el
tipo de transmisores que se utilizaran en la propuesta:
2.2.1 TRANSMISOR PARA MEDICIÓN DE PRESIÓN
Un transmisor de presión convierte la deformación de un elemento flexible en una señal eléctrica que es amplificada y enviada al sistema correspondiente (Figura 14).
Tienen la desventaja que necesitan ser alimentados por una fuente de tensión, pero tienen la ventaja de que al menor cambio producido por la deformación es suficiente para tener una señal detectable [5].
Figura 14 Esquema de funcionamiento de un transmisor de presión [1].
Existen otros tipos de principios de funcionamiento para los transmisores de presión, que finalmente realizan la misma función, solo es importante que el transmisor seleccionado mida presión manométrica, que es la que actualmente se mide.
2.2.2 TRANSMISOR PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA
17
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
Figura 15 Esquema de funcionamiento de un termopar [5].
Los Termopares tienen la desventaja de que su unión fría debe permanecer a una temperatura constante ya que cualquier variación puede originar errores a la medición o al menos que se disponga de un sistema de compensación que elimine dicho error.
Las Termoresistencias (RTD), se componen de una bobina de un hilo metálico la cual tiene una cierta resistencia a una temperatura conocida, teniendo esta referencia se puede usar la medida de la resistencia para saber otra temperatura. Una Termoresistencia no mide temperatura por sí sola, ni su resistencia puede ser registrada directamente por un PLC, por lo que es necesaria una adecuación de la resistencia a una corriente eléctrica. Los transductores más comunes son los puentes de Wheatstone que básicamente hacen que a una variación de resistencia se genera una corriente eléctrica equivalente (Figura 16)[5].
Figura 16 Transductor basado en un puente de Wheatstone para una Termoresistencia a 3 hilos [5].
Las Termoresistencias pueden tener varios tipos de conexión (2, 3 y 4 hilos), siendo la conexión a 3 hilos la más usada en el ámbito industrial. Por esta razón varios fabricantes de equipo de automatización y control de procesos han desarrollado tarjetas acondicionadoras de señal especiales para Termoresistencias (Figura 17),
Figura 17Tarjeta acondicionadora de señal para RTD, del fabricante “Allen Bradley” [6].
Se puede concluir que ambos transmisores presentan ciertas similitudes, así como ventajas y desventajas de uno a otro, para realizar la selección final para la propuesta se tomó como referencia una tabla en la que se expone las características generales de ambos equipos (Tabla 2).
Tabla 2 Características generales de los RTD y Termopares [7].
Finalmente se tiene que un termopar presenta menos utilidad para solución ya que se tiene que considerar la temperatura de unión fría que puede originar errores, además como el montaje será en campo se requieren cables de extensión que también adicionan errores a la medición por el contrario las Termoresistencias presentan una mejor exactitud y no necesitan compensación de unión fría además
CONSIDERACIÓN RTD TERMOPAR
PRECISIÓN Más preciso Menos preciso INTERVALO DE TEMPERATURA
[°C] -200 a 850 -200 a 2000
COSTO Más caro (2 o 3 veces más) Más económico SENSIBILIDAD Sensitivo en la base Sensitivo en la punta VELOCIDAD DE RESPUESTA Más lenta Más rápida
TAMAÑO Más largo Tan pequeño como sea posible UNIÓN DE REFERENCIA No aplicable Requerida
EFECTOS DE VIBRACIÓN EN LA
MEDIDA Menos conveniente Conveniente
FUENTE DE ALIMENTACIÓN Requerida No requerida ESTABILIDAD PARA PERIODOS
LARGOS Excelente Menos satisfactoria
ROBUSTEZ Menos conveniente Más conveniente TERMINALES DE CONEXIÓN Normalmente cobre Material del termopar a la unión de
19
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
no presenta errores en cables de extensión si se usa una conexión de 3 o 4 hilos
[5].
2.2.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA LA INSTRUMENTACIÓN
Para hacer la selección de ambos transmisores se tomaron en cuenta los requerimientos del punto 1.4 y los puntos como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Criterios de selección para los transmisores.
BOMBAS
AP BOMBAS AF BOMBAS AH
INTERVALO DE PRESIÓN
TOLERANCIA MÁXIMA
[kg/cm2] 10 7 6
VALOR NOMINAL
[kg/cm2] 7±0.5 5±0.5 4±0.5
TOLERANCIA MÍNIMA
[kg/cm2] 6 4 3
INTERVALO GENERAL
[kg/cm2] 3 - 10
INTERVALO DE TEMPERATURA
TOLERANCIA MÁXIMA
[°�] 26 10 2
VALOR NOMINAL
[°�] 20±3 13±3 0±1
TOLERANCIA MÍNIMA [°�]
10 6 - 5
INTERVALO GENERAL
[°�] - 5 - 26
SERVICIO AGUA ( 2�) AGUA ( 2�) AGUA 70% MEZCLA GLYCOL 30% ( 2� Y �2 6�2)
TIPO DE TUBERÍA ACERO AL CARBÓN CÉLULA 40 ACERO AL CARBÓN CÉLULA 40 CARBÓN CÉLULA ACERO AL 40 DIÁMETRO DE TUBERÍA A LA SALIDA 6” 6” 6” +
ENCHAQUETADO CONEXIÓN BOMBA BRIDADA BRIDADA BRIDADA CONEXIÓN DE INSTRUMENTACIÓN A
PROCESO ½ ROSCADA ½ ROSCADA ½ ROSCADA AMBIENTE DE MONTAJE AIRE LIBRE AIRE LIBRE INTERIOR
2.2.4 SELECCIÓN DE MODELO Y FABRICANTE
Figura 18 Transmisor de presión manométrica, Endress + Hauser PMC131 [8].
Es del fabricante Endress + Hauser, dado que es la marca de transmisores utilizada por la empresa. Las características del transmisor de presión se detallan en la Tabla 4.
Tabla 4 Especificaciones del transmisor de presión manométrica, PMC131-A4/2/E/1/A1S [26].
ESPECIFICACIONES
MARCA ENDRESS + HAUSER
MODELO ESPECIFICO PMC131/A4/2/E/1/A1S APLICACIÓN Gases, Vapores, Líquidos, Polvos CAPACIDAD DE MEDICIÓN Presión Absoluta, Presión Manométrica
PRECISIÓN 0.5 %
ALCANCE OPERATIVO [bar]
[��/���]
0 - 10 0 – 10.79 TEMPERATURA DE PROCESO
[°C]
-20 - 100
TEMPERATURA AMBIENTE [°C]
-20 - 85
LIMITE DE SOBRE PRESIÓN [bar]
26.7
CONEXIÓN DE PROCESO ½ “ Roscada ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
[V CD]
11 - 30
SALIDA CABLEADA 2 Hilos
SEÑAL DE SALIDA [mA]
4 – 20
CONSTRUCCIÓN FÍSICA Encapsulado de plástico con sensor cerámico. AMBIENTE DE MONTAJE Resistente a corrosión, ambientes abrasivos y a
sobrecargas.
21
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
Figura 19 Transmisor de temperatura RTD, Endress + Hauser TSM487 [9].
Se utilizarán dos modelos diferentes uno de -30 a 170 °C para el agua helada y otro de 0 – 100 °C para el agua fría y potable. Las características de estos modelos son iguales solo cambian sus alcances operativos, estas se detallan a continuación
(Tabla 5).
Tabla 5 Especificaciones de los transmisores de temperatura RTD, TSM487/B/DD y TSM487/B/FE [27].
ESPECIFICACIONES
MARCA ENDRESS + HAUSER
MODELO ESPECIFICO TSM487/B/DD y TSM487/B/FE
APLICACIÓN Químicos y universal para condiciones no extremas.
PRECISIÓN 0.08%
RANGO OPERATIVO [°C]
TSM487/B/DD 30 - 170 (AH) TSM487/B/FE 0 - 100 (AF, AP) TEMPERATURA AMBIENTE
[°C]
- 40 - 85
LÍMITE DE SOBRE PRESIÓN [bar]
[��/���]
20 20.79 CONEXIÓN DE PROCESO ½” Roscada ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
[V CD]
8 - 35
SALIDA CABLEADA 2 Hilos
SEÑAL DE SALIDA [mA]
4 – 20
CONSTRUCCIÓN FÍSICA Encapsulado de fibra de vidrio. AMBIENTE DE MONTAJE Resistente a corrosión, ambientes abrasivos
2.3
SELECCIÓN DEL CONTROLADOR
Esta parte del sistema se encarga de todo el procesamiento lógico y matemático para el cual haya sido programado. El controlador básicamente se encarga de leer señales de entrada para usarlas en una programación lógica para finalmente activar señales de salida. Este tipo de controladores se les conoce como Controladores Lógicos Programables (PLC) (Figura 20).
Figura 20 PLC'S de la gama MicroLogix de Allen Bradley [12].
Un PLC tiene una arquitectura similar a una computadora ya que cuenta con un Hardware (CPU y Memoria) y un Software (Programación lógica). Las señales de entrada pueden proceder de elementos digitales, como interruptores, botones, sensores, etc., o cualquier dispositivo que su salida sea una señal eléctrica analógica, como transmisores de temperatura, presión, caudal, pH, etc. Y las señales de salida son órdenes digitales todo o nada, o señales analógicas en tensión o corriente, que se envían a elementos indicadores y actuadores, como lámparas, relevadores, válvulas, cilindros neumáticos (Figura 21) [11].
Figura 21 Ejemplos de entradas y salidas para un PLC [13].
23
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
El controlador gobierna las señales de salida según el programa de control previamente almacenado y creado por el usuario, a partir del estado de las señales de entrada. Un PLC esencialmente se compone de 6 bloques internamente conectados mediante buses, los cuales son [11]:
Unidad Central de Proceso, (CPU). - Realiza una consulta del estado de las entradas y recoge de la memoria de programa la secuencia de instrucciones a ejecutar, elaborando a partir de ella las señales de salida u órdenes que se enviaran al proceso. Durante la ejecución del programa, las instrucciones son procesadas en serie una tras otra.
Memoria de Datos. - Contiene una base de datos que contiene todas las instrucciones que necesita para ejecutar las tareas que le fueron asignadas.
Memoria Interna. - Es la encargada de almacenar datos intermedios de cálculo y variables internas que no aparecen directamente sobre las salidas, como una imagen de los últimos estados leídos sobre las señales de entrada o enviados a las señales de salida.
Memoria de Programa. - Contiene la secuencia de operaciones que deben realizarse sobre las señales de entrada para obtener señales de salida, así como los parámetros de configuración del autómata. Por lo tanto, si hay que introducir alguna variación sobre el sistema de control, basta con modificar el contenido de la memoria.
Interfaces de Entrada y Salida. - Establecen la comunicación entre el controlador con el proceso. Para ello se conectan, por una parte, con las señales físicas y por otra parte con el bus interno del autómata. La interfaz se encarga de adaptar las señales físicas a las que se utilizan internamente por la máquina.
Fuente de Alimentación. - Proporciona las tensiones adecuadas para el buen funcionamiento de la circuitería interna, algunos controladores disponen de una batería interna con la cual aseguran el funcionamiento del programa si se llegara a interrumpir la alimentación exterior.
Figura 22 Diagrama de bloques de la arquitectura interna de un Controlador Lógico Programable [11].
2.3.1 TIPOS DE PLC
Existen muchas variantes de PLC’s, según su capacidad de memoria, tipos de entradas, salidas y comunicación, pero en esencia realizan la misma función, únicamente donde influye su composición es en su estructura física ya que existen dos variantes, los de tipo compacto y modular, los cuales se describen a continuación.
2.3.2 PLC COMPACTOS
Son aquellos PLC’s que reúnen en poco espacio toda la estructura básica de hardware, como fuente de alimentación, CPU, módulos de E/S y comunicación,
(Figura 23).
25
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
Hay distintas variantes de tamaños y capacidades en estos equipos, estas dependen directamente de su número de E/S, puertos de comunicación, posibilidad de expansión, etc. Por su tamaño y capacidades, estos PLC’s están pensados principalmente para aplicaciones centralizadas y básicas, como control de máquinas, motores, hornos, empaquetadoras, puertas automáticas, embotelladoras, edificios inteligentes, etc. Entre sus principales características están las siguientes [16]:
Aplicaciones centralizadas.
Número limitado de E/S.
Son más económicos que los PLC modulares.
Menor espacio utilizado.
Programación sencilla.
Fácil Selección.
Instalación sencilla.
Construcción para condiciones extremas, fluctuaciones de tensión, vibraciones, humedad, etc.
2.3.3 PLC MODULARES
Son los PLC’s que pueden ser configurados o armados de acuerdo a las necesidades existentes, para realizar esta configuración basta con anexar al rack los módulos que sean necesarios, (Figura 24). Estos módulos pueden ser de E/S digitales o analógicas, comunicación para buses de campo, contadores de alta velocidad, canales especiales para termopares y RTD, etc. [16].
Por capacidad de configuración personalizada, su uso se orienta hacia aplicaciones distribuidas y de supervisión, como automatización de procesos, monitoreo de plantas, control de máquinas de amplias dimensiones, líneas de producción, aplicaciones especiales de seguridad, etc. Entre sus principales diferencias de los modelos compactos están las siguientes [16]:
Aplicaciones distribuidas y de supervisión.
Número de E/S expandible según la necesidad.
Aún en su configuración más sencilla son más costosos que los compactos.
Mayor espacio requerido, preferentemente tienen que ser instalados en tableros de control amplios.
La programación es más compleja.
Para su aplicación se requieren más conocimientos para la selección de módulos.
Amplia capacidad en comunicaciones industriales.
2.3.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL CONTROLADOR
Para la selección del controlador en este caso un PLC, es necesario tomar en cuenta factores básicos (Tabla 6), para así evitar problemas de conexión, compatibilidad, sobredimensionamiento, software, entre otros.
Tabla 6 Criterios de selección para PLC.
CRITERIO DESCRIPCIÓN
APLICACIÓN
Básica Centralizada
La aplicación es básica ya que solo consiste en monitoreo de variables y accionamiento de bombas y centralizada porque solo se aplica a una parte de la planta.
TIPO DE CONEXIÓN DE RED Ethernet Es necesario que el PLC cuente con conexión Ethernet, debido a que es el puerto con el que cuenta la computadora del cuarto de control.
FABRICANTE Allen Bradley Es necesario que el equipo sea de este fabricante, dado que el personal ya tiene conocimientos previos con este fabricante. ESTRUCTURA FÍSICA Compacta Dada la aplicación, es necesario que el equipo sea de esta
estructura, además que esto reduce el costo de la propuesta. NÚMERO DE
ENTRADAS
DIGITALES [127 V CA]
13 Se necesitan 13 entradas digitales para 3 botones de paro de emergencia y para 10 elementos de protección contra sobrecarga.
ANALÓGICAS [4 mA a 20 mA]
20 Se necesitan 20 canales de entrada analógicas para los transmisores, 10 de presión y 10 de temperatura.
NÚMERO DE SALIDAS
DIGITALES [127 V CA]
27
CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
2.3.5 SELECCIÓN DE GAMA Y MODELO DE FABRICANTE
Finalmente se seleccionó el equipo MicroLogix1100 (Figura 25), de la gama de PLCs compactos MicroLogix de Allen Bradley, ya que es el único de la gama a excepción del MicroLogix 1400 (más costoso), que cuenta con puerto de Ethernet embebido en su chasis lo que permitirá sin problemas la conexión con la computadora del cuarto de control. Para mayor información de la familia 1100 consultar el ANEXO B
al final del documento (página 188).
Figura 25 PLC MicroLogix 1100 de Allen Bradley [17].
El modelo específico y todas sus características se muestran a continuación, (Tabla 7).
Tabla 7 Características del PLC seleccionado [18].
CARACTERÍSTICAS
FABRICANTE Allen Bradley
GAMA MicroLogix
MODELO MicroLogix 1100 1763-L16AWA MEMORIA
[kb]
8
ENTRADAS INTEGRADAS DIGITALES [120 V CA]
10
ANALÓGICAS [10 V CD]
2
SALIDAS INTEGRADAS DIGITALES [120 V CA]
6 TIPO RELÉ
ANALÓGICAS 0
PUERTOS DE CONEXIÓN Serial RS-232, RS-485 y EtherNet/IP ALIMENTACIÓN
[V CA]
120/220
PLATAFORMA DE PROGRAMACIÓN RSLogix 500
FUNCIONES ESPECIALES Pantalla LCD y Teclas de navegación MÓDULOS COMPATIBLES PARA EXPANSIÓN 1762 MicroLogix Expansión I/O CANTIDAD MÁXIMA DE TARJETAS DE EXPANSIÓN 4
Como se ve en la tabla anterior un solo controlador teniendo un máximo de 4 tarjetas de expansión más las 2 entradas analógicas integradas, brinda 18 canales para señales analógicas, por lo cual es necesario otro controlador para las otras 2 entradas faltantes. Finalmente, el precio de ambos controladores con las 4 tarjetas extras sigue siendo aún más bajo que un PLC modular actual que solo su chasis, fuente y procesador sobrepasan los $8,000 dólares, mientras que esta configuración no sobrepasa los $3,000 dólares.
2.4
SELECCIÓN DE LA RED DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL
Esta es la parte del sistema encargada de la comunicación entre los PLC´s propuestos y la computadora maestra. Para que se lleve a cabo una comunicación exitosa entre ambas partes es necesario que, tanto el controlador como la computadora cuenten con módulos y puertos específicos para la red que se desea configurar.
2.4.1 COMUNICACIONES INDUSTRIALES
En la industria, las comunicaciones de datos entre diferentes sistemas, procesos e instalaciones suponen uno de los pilares fundamentales para que esta sea competente para los procesos productivos actuales [19].
Existen diferentes niveles de redes de comunicación de datos que cumplan en cada caso con las exigencias funcionales solicitadas. Estos niveles son comúnmente acomodados de manera jerárquica en una pirámide que está conformada por cuatro niveles, (Figura 26) [19].
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CAPÍTULO 2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
NIVEL DE GESTIÓN. - Está formado básicamente por computadoras tanto a nivel de corporativo y de ingeniería.
NIVEL DE CONTROL. - Está formado por computadoras y controladores maestros para el control de todo el proceso.
NIVEL DE CAMPO. - Está formado por computadoras y controladores locales, transmisores, panel de operador, robots, etc.
NIVEL DE E/S.- Está formado por botones, actuadores, sensores, válvulas, etc.
Expuesto lo anterior, en el siguiente punto se mencionan los criterios básicos para la selección de la red de comunicación industrial que se ocupara en la propuesta.
2.4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA RED DE COMUNICACIÓN
Para hacer la selección de la red industrial de comunicación solo se usaron 3 criterios como se describe en la Tabla 8.
Tabla 8 Criterios de selección para red de comunicación industrial de la propuesta.
CRITERIOS
NIVEL DE RED NECESARIO Red de nivel control (3er Nivel) REDES COMPATIBLES CON EL CONTROLADOR EtherNet/IP™, Serial RS-232, Serial RS-485 ELEMENTOS PARA INTEGRACIÓN DE LA TOPOLOGÍA
DE RED
Computadora maestra con tarjeta de red Ethernet, 2 PLC MicroLogix1100, Switch para red Ethernet.
Para la propuesta solo se configurara una red para el tercer nivel, ya que será solo un monitoreo de variables y accionamiento de bombas en una parte especifica de la planta y esta no se conectará al cuarto de control principal ni a las computadoras de análisis de producción (Nivel de gestión), de igual forma quedan descartados los niveles inferiores ya que no se tendrán controladores o computadoras esclavos (Nivel de campo), ni se utilizaran buses de campo (Nivel de E/S) para los transmisores, ya que manejan señales analógicas convencionales de 4 mA a 20 mA.
2.4.3 SELECCIÓN DE RED DE COMUNICACIÓN
La principal virtud de esta red es su universalidad, ya que se encuentran elementos para su conexión en cualquier parte y a precio bajo, además que en muchas computadoras viene de serie un puerto Ethernet para conexión local.
Su funcionamiento es en cierto modo diferente al resto de las redes o buses de campo, ya que utiliza la topología estrella (Figura 27), que permite la detección de fallas de comunicación de una manera más fácil [21].
Figura 27 Ejemplo de una red EtherNet/IP con topología estrella.
Para la constitución física de la red se pueden usar uno o más elementos de los que se enlistan a continuación:
HUB. - Permite ampliar la red mediante ramificaciones, pudiendo conectar más dispositivos. Son repetidores sin criterio, cuando llega un paquete es retrasmitido a todas partes.
SWITCH. - Es una evolución del HUB. Filtra y regenera los paquetes de información Ethernet para poder alcanzar mayores distancias de transmisión y un mayor número de equipos.Cada switch contiene una lista de direcciones de los elementos conectados, cuando recibe un paquete de información verifica y lo envía por el puerto correcto. Elimina colisiones y es adecuado para la implementación de sistemas en tiempo real.
PC-2 192.168.1.2 PC-1
192.168.1.1
PLC 192.168.1.3
PLC 192.168.1.4
PANEL VIEW PLUS 192.168.1.5
SWITCH DE RED
