UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TESIS
“CONTROL DE TEMPERATURA DE UN HORNO ELÉCTRICO UTILIZANDO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE PARA LA
LÍNEA DE PRODUCCIÓN DE PANADERÍA”
CODIGO CTI : 0403.0601 DESARROLLO DE SISTEMAS DE GESTIÓN Y OPTIMIZACIÓN PARA CADENAS PRODUCTIVAS
CODIGO UNESCO: 3311.02 INGENIERÍA DE CONTROL
PRESENTADO POR:
Chumbe Mellado, Edgar Elmer
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRICISTA HUANCAYO – PERÚ
2019
ASESOR
MSC. Ing. DAVID HUARAC ROJAS
DEDICATORIA
A Dios
A mis padres.
A mi Hermano A mi Sobrino A mi Novia.
A mi Hija
AGRADECIMIENTO
Dedico mi trabajo de tesis a Dios por el regalo de darme la Vida, la sabiduría, cuidarme. A mis padres (Celestina Melado Aliaga, Aurelio Chumbe Mucha Y Hermano) Por su amor incondicional y por haberme Formado con el ejemplo.
A mi Sobrino J.Ch.F. Por llegar a ser una parte muy importante de nuestra familia.
A lucia y Saori que ha llegado a mi vida para ser el complemento de mis metas y planes presente y futuras.
I N D I C E
CARÁTULA ASESOR
DEDICATORIA AGRADECIMIENTO ÍNDICE
RESUMEN ABSTRACT
INTRODUCCIÓN ... 1 CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Caracterización del problema………
1.2. Formulación del problema……….
1.3. Objetivo de investigación...
1.3.1. Objetivo general...
1.3.1. Objetivo especificos...
1.4. Justificación del estudio………
1.4.1. Justificación teórica………...
1.4.2. Justificación metodológica………...
1.4.3. Justificación social………...
3 4 4 5 5 5 5 5 5
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes………..
2.2. Bases teóricas...
2.2.1. Cocción del pan 2.2.2. Sistemas térmicos
2.2.3. Estudio de la respuesta transitoria y estado estable 2.2.4. Controladores
2.2.4.1. Controlador proporcional (P) 2.2.4.2. Controlador Integral
2.2.4.3. Controlador proporcional integral(PI) 2.2.4.4. Controlador proporcional derivativo(PD)
2.2.4.5. Controlador proporcional integral derivativo(PID) 2.2.5. Controlador lógico programable(PLC) 2.2.5.1. Funcionamiento básico del PLC
2.2.5.2. Ventajas del PLC
2.2.5.3. Terminología utilizada con PLC 2.2.5.4. Simatic S7-1200
2.2.5.5. Característica del PLC S7-1200 2.2.5.6. Módulo de señales
6 9 9 13 17 21 21 23 24 25 27 27 28 29 30 35 37 39
2.2.5.7. Profinet
2.2.5.8. Comunicación con una programadora 2.2.5.9 Establecer la conexión de hardware 2.2.5.10. Step 7
2.2.6. Sensores de temperatura 2.2.7. Relé de estado solido 2.2.8. Hipotesis
2.2.9. Variables………...
2.6. Operacionalización de variables………...
40 41 42 43 44 47 48 48 49
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN 3.1. Tipo de investigación...
3.2. Nivel de investigación………...
3.3. Métodos de investigación...
3.3.1. Objetivos de los cálculos 3.3.2. Planta
3.3.2.1. Cálculo de la función de transferencia de la planta 3.3.3. Sensor de temperatura
3.3.4. Cálculo de los parametros del controlador PID utilizando el lugar geométrico de las raíces
3.3.5. Programación en TIA PORTAL 3.3.5.1. Elaboración de nuevo proyecto
50 50 51 51 51 52 54 60
68 69
3.3.5.2. Escalamiento
3.3.5.3 Configuración del controlador PID
3.4. Población y muestra...
3.4.1. Población de estudio ………...
3.4.2. Muestra de estudio ...
3.5. Instrumentos de recopilación de datos...
3.6. Procedimientos de recopilación de datos...
3.7. Procedimiento de análisis de resultados...
69 70 83 83 83 83 83 84
CAPÍTULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 4.1. Presentación de datos y resultados
4.1.1. Datos experimentales tomados en el horno eléctrico 4.1.2. Resultados de simulación
4.1.3. Resultados en TIA PORTAL
4.2. Discusión de resultados...
85 85 86 90 92
CONCLUSIONES...
RECOMENDACIONES...
BIBLIOGRAFÍA...
ANEXOS...
94 95 96 97
R E S U M E N
Es de mucha importancia utilizar el controlador PID para regular la temperatura en muchos procesos específicamente en un horno eléctrico para la línea de panadería en el cual se requiere distintas temperaturas a un valor determinado, lo cual se consigue con este controlador en el cual se puede automatizados el nivel de almacenamiento de líquido agua en domicilios, la pequeña, mediana industria y otros con adquisición de datos y supervisión de control de tal manera que brinda el análisis del estado de los procesos para tomar decisiones oportunas.
La hipótesis es utilizando un controlador lógico programable en reemplazo del controlador ON-OFF INFLUYEN en el mejoramiento adecuado del control de temperatura en un horno eléctrico para la línea de producción de panadería.
Los resultados del diseño en su implementación son satisfactorios porque se logra controlar adecuadamente la temperatura, utilizando el sensor utilizado y el controlador PID del PLC.
Siendo las conclusiones más importantes encontradas del trabajo realizado:
En este trabajo se propone una solución reemplazando al controlador on-off para el problema de control de temperatura por medio de un control utilizando PLC;
considerando un diseño analógico para dicho controlador debido a la lenta dinámica del sistema.
La utilización de hardware y software utilizados en este proyecto tienen muchas ventajas sobre otros sistemas tales como se puede programar para observar todo el proceso en pantalla y otras.
ABSTRACT
It is very important to use the PID controller to regulate the temperature in many processes specifically in an electric oven for the bakery line in which different temperatures are required at a certain value, which is achieved with this controller in which it can be automated the level of storage of liquid water in homes, small, medium industry and others with data acquisition and control supervision in such a way that it provides the analysis of the state of the processes to make timely decisions. The hypothesis is using a programmable logic controller replacing the ON- OFF INFLUEN controller in the proper improvement of the temperature control in an electric oven for the bakery production line. The results of the design in its implementation are satisfactory because it is possible to adequately control the temperature, using the sensor used and the PID controller of the PLC.
Being the most important conclusions found of the work done:
In this work a solution is proposed replacing the on-off controller for the problem of temperature control by means of a control using PLC; considering an analog design for said controller due to the slow dynamics of the system.
The use of hardware and software used in this project have many advantages over
other systems such as can be programmed to observe the entire process on screen and others.
INTRODUCCIÓN
El proyecto de control a efectuar, es utilizando la técnica del lugar geométrico de las raíces. Para realizar el proyecto se proporcionan detalles tales como; que corresponde realizar al sistema y de qué manera debe realizarlo; estas características son propias para cada asunto.
El proyecto de control comprende tres pasos:
Determinar que tiene que realizar el sistema y cómo debe hacerlo (especificaciones de diseño)
Dichas relaciones son exclusivas para cada caso de control y pueden ser las siguientes:
Sistema debe ser estable
La variable controlada debe ser igual al valor de referencia (error en régimen permanente nulo o mínimo)
Características adecuadas ante perturbaciones (respuesta transitoria)
Con las especificaciones se determina el tipo de controlador a utilizar y puede estar en cascada o retroalimentación con la planta.
Una vez determinado el tipo de controlador a utilizar se encuentran los valores de los polos y ceros para verificar los propósitos encomendados.
Habitualmente los parámetros del controlador interactúan unos con otros y afectan las especificaciones de diseño en formas conflictivas.
Para alcanzarlos los objetivos propuestos hacemos operaciones matemáticas a mano y con el soporte del software de MATLAB 2015a para colocar los polos dominantes en el lugar deseado de nuestro sistema y luego comprobar si verifica con los detalles de diseño. De igual forma se utilizó los softwares Labview y Simulink de MATLAB, con los cuales simulamos el sistema de control de temperatura en base a los parámetros de circuito calculados y se encuentran que las respuestas en ambos son aproximadamente iguales, con lo cual adoptamos los valores Kp, Ti y Td hallados manualmente.
Una vez realizado esto seleccionamos el PLC (Controlador Lógico programable), en el cual seleccionamos el S7-1200 de SIEMENS, lo cual lo seleccionamos en el TIA PORTAL(Portal de Totally Integrated Automation), software que reúne todas las herramientas de software de automatización dentro de un único entorno de desarrollo, en el cual configuramos las opciones dentro de ello el controlador PID, adoptando en la configuración del controlador PID los valores hallados de Kp, Ti y Td anteriormente.
El objetivo es determinar cuál es la influencia del cambio de controlador básico de temperatura ON-OF por otro que utilice controlador lógico programable en un horno eléctrico para la línea de producción de panadería.
CAPITULO I
Planteamiento del problema 1.1 Caracterización del problema
El proyecto propone cambiar el controlador de temperatura de un horno eléctrico por otro mucho más eficiente en el cual se utilizará controlador lógico programable para la línea de producción de panadería en reemplazo del simple controlador ON-OFF.
En el controlador de temperatura ON-OFF el comportamiento del sistema puede alterarse si es sometida a una variabilidad considerable. Para ello se requiere de un sistema que no sea sensible al cambio brusco y que compense estos valores muy cambiantes e inestables.
Como se sabe al conectar el sistema de control on-off, éste activará o desactivará una acción ya sea para aumentar o disminuir la temperatura, en ambos casos existe la posibilidad de que el sistema se deteriore. No obstante, en gran parte del sector industrial e incluso en los hornos eléctricos domésticos actuales, existen procesos en los cuales se requiere del manejo adecuado, por lo cual se emplean dispositivos de control de parámetros tales como los que mantienen la temperatura en un rango estable sin cambios que
puedan afectar al sistema o lo que contiene. En el caso de los hornos eléctricos dichos dispositivos son de uso común y poseen un costo relativamente bajo.
El proyecto pretende brindar una solución sencilla al alcance de los sectores involucrados tales como la panificadora y aplicando las distintas teorías de control lo cual son económicamente viable y aplicable a cualquier tipo de sistema de control de temperatura, de fácil uso e implementación; logrando el sistema propuesto.
1.2 Formulación del problema
¿Cuál es la influencia del cambio de controlador básico de temperatura tipo ON-OFF por otro que utilice controlador lógico programable?
1.3 Objetivos de investigación
1.3.1 General
Determinar cuál es la influencia del cambio de controlador básico de temperatura ON-OF por otro que utilice controlador lógico programable en un horno eléctrico para la línea de producción de panadería
1.3.2 Específicos
Diseño del sistema de control de temperatura.
Selección del PLC adecuado para el control de temperatura.
Selección del sensor adecuado para el control de temperatura.
Presentación de una metodología para el diseño de un controlador PID utilizando PLC para el control de temperatura.
Elaborar un programa para el PLC que permita realizar las operaciones de control de temperatura del sistema propuesto.
1.4 Justificación del estudio 1.4.1Justificación Teórica
Este trabajo se ejecuta con la finalidad de contribuir al entendimiento sobre la utilización de controladores lógicos programables, para el control de temperatura en un horno eléctrico, cuyos resultados de esta investigación puede sistematizarse en una propuesta, ya que se estaría demostrando que el uso de controladores lógicos programables mejora el desempeño de la temperatura de los hornos en la producción de panadería.
1.4.2 Justificación Metodológica
La aplicación de controladores lógicos programables para el control de temperatura en hornos eléctricos se realizó utilizando métodos de investigación adecuados, situaciones que han sido investigadas, y se han demostrado su validez y confiablidad los cuales pueden ser utilizados en otros trabajos de investigación.
1.4.3 Justificación Social
No hay duda que para las empresas en la línea de producción de panadería son beneficiadas tanto para la calidad de sus productos como así también en el costo de su producción.
CAPITULO II Marco teórico 2.1 Antecedentes
Para desarrollar el presente trabajo de investigación se ha tomado como referencia los siguientes trabajos:
JULIO C. DELGADO LÓPEZ, tesis “CONTROL DE TEMPERATURA CON EL PLC S7-200”, UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS, Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica, 2007, para optar el grado de Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica, concluye que:
1.- En el control realizado por el PLC S7-200 de Siemens en el centro de cómputo es preciso y estable, claramente se puede observar cuando la temperatura del cuarto es alterada por el calor de las computadoras, y como el control compensa la temperatura deseada.
2.- La aplicación de este sistema en la industria es totalmente factible, no solo para el control de temperatura si no para cualquier tipo de sistema, y hace muy viable su reprogramación, si se desea un cambio de comportamiento solo se requiere entrar al editor y hacerlo, al igual si el modelo se modifica.
3.- Este proyecto se puede utilizar en talleres, almacenes, polideportivos, granjas, bodegas, garajes, etc.; dando soluciones a medida de cada necesidad.
JÉSSICA MERCEDES BONILLA MARURI, TERZY VANESSA ILLESCAS ZARUMA, Tesis “DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO Y AUTOMATIZACIÓN DE UNA LÍNEA PARA LA FABRICACIÓN DE GALLETAS”, ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL, Facultad Ingeniería en Electricidad y Computación, 2004, Guayaquil – Ecuador, concluye que:
1.- Por medio del PLC se tiene la capacidad de modificar la secuencia de control que se está utilizando en caso de que sea necesario y se puede ejecutar de forma precisa y eficiente trabajos repetitivos que resulta difíciles para el ser humano.
2.- Utilizando el PLC en conjunto con un PC se tiene un control de los procesos industriales con una reducción de errores y se asegura un producto elaborado con mayor eficiencia.
3.- En el proceso de la fabricación de galleta se debe seguir una secuencia de encendido permitiendo tener un control en los parámetros de velocidad y temperatura.
4.-El operador desde un computador podrá visualizar, controlar y detener el proceso si observa que ocurre alguna falla.
JOSÉ FABIO ARGUEDAS ROMERO, tesis “SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA UN HORNO INDUSTRIAL”, INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA, 2010 para optar el grado de ingeniero electrónico, concluye que:
1.- La centralización del control y monitoreo del horno realizado mediante el PLC y la pantalla táctil, produjo un sistema de operación del horno más eficiente, preciso y de fácil utilización.
2.- El control automático de temperatura del horno por medio del regulador PID programado en el PLC, disminuyó el tiempo de estabilización de la temperatura del horno y corrigió el error de estado estacionario.
3.- La secuencia de encendido y apagado de los dispositivos del horno programada en el PLC y operada mediante la pantalla táctil, permitió un mayor control y monitoreo de cada uno de estos dispositivos.
ISAAC RAMÍREZ ENRÍQUEZ, tesis “ CONTROL PID DE TEMPERATURA CON PLC SIEMENS S7-300 Y ALLEN BRADLEY SLC 500”, UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO, Facultad de Ingeniería, México, 2017 , concluye que:
1.- El control PID continúa siendo utilizado en la industria, debido a su facilidad para ser programado y entendido en comparación con muchos tipos de control, además de que un ingeniero con experiencia puede sintonizar los coeficientes PID y obtener los resultados deseados.
2.-Debido a esto, es de gran utilidad comparar dos PLC diferentes de las dos marcas comerciales más importantes en el ramo, Siemens y
Allen-Bradley, en el control PID. Para este proyecto, se utilizaron dos PLC que se tenían en el Laboratorio de Automatización de la Facultad de Ingeniería, UNAM, pero se puede extrapolar esta metodología de comparación a otros PLC de las mismas marcas.
3.-Cabe recalcar que siempre pueden existir mejoras en cualquier proceso; en este caso, se puede realizar modelo físico mucho más robusto, un horno con una mejor capacidad de concentración de calor o utilizar un método para la caracterización del mismo más completo para tener una función de transferencia más fiel.
2.2 Bases teóricas 2.2.1 La cocción del pan
En esta fase se convierte la masa de harina en pan. La cocción hace la transformación del producto llamado masa en pan. Las temperaturas del horno para la cocción del pan serán de acuerdo a muchos factores tales como tamaño de la masa, como se realiza y de los componentes. “En general se puede resumir que, a mayor tamaño, menor temperatura y tiempos de cocción más largos; a menor tamaño, mayor temperatura y tiempo de cocción más corto” (Instituto Profesional DuocUC,2008, p. 29). “En la industria panadera existen hoy en día procesos estandarizados que permite elaborar pan industrial a gran rapidez debido a las veloces fermentaciones que realiza del orden de los 20 minutos”, (Liliana, 2014, p.75).
Cocción del pan puede ser definida como el proceso que transforma una masa básicamente hecha de harina, agua y agentes de fermentación en un
producto de alta calidad con características sensoriales únicas. “En particular, el pan francés o el blanco es el tipo más popular de pan, y se distingue por tener una corteza crujiente y marrón, una esponja y miga de luz con textura suave y de humedad intermedia, y un sabor típico” (Purlis &
Salvadori, 2009, p.98).
De acuerdo a la etapa que se realiza durante el transcurso de la elaboración del pan se estima que una de las fases más importante, una exacta cocción lo conseguiremos cuando el pan tenga un compuesto de atributos que se pueden palpar por los sentidos tales como sabor, color, olor.
Una cocción del pan realizada en circunstancias perjudiciales tales como de temperatura, tiempo y humedad pueden traer abajo todo lo realizado previamente para producir pan. La cocción convierte la masa previamente fermentada en pan y de este momento este producto se puede consumir porque el cuerpo humano lo puede asimilar. En la cocción del pan se produce un intercambio del calor producido en el horno con la masa fermentada. En el intervalo de transformación de la masa se puede que podemos indicar las siguientes fases:
PRIMERA FASE
Diferencia de temperatura de la masa fermentada comprendida entre 26-28º C y la del horno eléctrico comprendida entre 200-220ºC y como la masa tiene el estado semilíquido lo cual frena el incremento de temperatura en la
superficie de la masa y le protege del calor y permite su cocción uniforme.
Entre tanto se produce un espacio de efervescencia acelerada de la elaboración de gas carbónico con sucesión de una enérgica dilatación y todo esto produce el esfuerzo gaseoso que permite una mejora grandiosa de la
pasta. Los tajos proporcionan el esfuerzo gaseoso y perfeccionan la presentación del pan y ayudan igualmente alveolado, e indican el nivel de esponjosidad y espesura de la miga. Un pan sin alveolos resultaría duro y seguramente soso para el paladar. Por eso es tan importante dejar “crecer”
la pieza durante la fermentación. “Esta acción se desarrolla hasta que, bajo los efectos del calor, la temperatura interna del pastón se llega al final de la producción de gas carbónico y de esta primera etapa” (Manuel, 2015,p.67).
“La transferencia de calor se produce a través de convección y radiación.
Modelización de la radiación requiere las masividades de pan, gas, superficie del horno, y la computación de las relaciones geométricas entre pan y un horno” (Zhang, Datta, & Mukherjee, 2005, p.123).
(Zhang & Datta, 2006) dice: “Que una temperatura de cocción más alta que la normal reduce el volumen de pan horneado”(p.134).
El análisis de las variaciones de temperatura como una función del tiempo muestra que la temperatura del aire en el horno permanece sustancialmente constante alrededor 203 -t 1 ° C. Después de unos minutos, una temperatura más alta que 100 ° C, que asintóticamente tiende a la temperatura del aire, se alcanza en la superficie superior de la muestra, que está directamente expuesta al aire. La temperatura en la superficie inferior muestra una variación similar, con valores
inferiores en aproximadamente 20 ° C debido a la resistencia a la transferencia de calor del fondo del molde (Zanoni, Peri, & Pierucci, 2012,p.170).
“A Profundidad de 1cm desde la superficie superior y en el centro geométrico de la muestra, es decir, en la porción de miga del pan, la temperatura aumenta a tasa más baja y tiende asintóticamente hacia 100 ° C”
(Zanoni et al., 2012,p.68).
SEGUNDA ETAPA
La masa aún plástica bajo el empuje combinado del vapor de agua que nace y de la dilatación del gas carbónico que se amplifica continúa desarrollándose todavía. Pero simultáneamente el aumento de temperatura progresa hacia el centro y la verificación del almidón, así como la coagulación del gluten va a marcar a partir de 70º C el fin de la plasticidad de la masa y de su desarrollo. De este modo se llega al final de la segunda etapa. El pan ha alcanzado entonces su volumen definitivo (Manuel, 2015, p.145).
TERCERA ETAPA
La fuerte evaporación de la pared externa disminuye en tanto que su temperatura aumenta. La corteza se forma, se espesa y la caramelizarían de los azúcares residuales presente en la masa provoca su coloración. Cabe subrayar por último que la temperatura
interior de los panes durante la cocción alcanza a duras penas y no sobrepasa prácticamente los 100º C en tanto que la temperatura exterior de la corteza soporta un calor medio de 225º C” (Manuel, 2015, p.200).
Figura 2.1Proceso de horneado del pan 2.2.2 Sistemas térmicos
Los procesos donde hay flujo de calor comprenden la transmisión de calor de una sustancia a otra.
En estos procesos se incluyen los conceptos de resistencia térmica y capacitancia térmica y se hacen analogías con los sistemas eléctricos puede ser que no se representen con exactitud ya que se utiliza parámetros concentrados. Para tener representaciones con bastante exactitud se deben utilizar la representación de parámetros distribuidos. Pero por facilismo siempre se utiliza la representación de
parámetros concentrados, que las sustancias que se describen utilizando una resistencia térmica al flujo de calor tienen una capacitancia térmica pequeña y que las sustancias que se describen por una capacitancia térmica tienen una resistencia insignificante al flujo de calor. El calor se transmite de una sustancia a otra de tres maneras diferentes: por conducción, por convección y por radiación, sin embargo, la mayor parte de los procesos térmicos en los sistemas de control de procesos no involucran transferencia de calor por radiación, se puede despreciar frente a los demás. (p.136)
En la transmisión de calor por conducción o convección se cumple la siguiente relación:
q =K∆ T …………. (2.1) En la ecuación anterior
q → kcal/s representa la evacuación de calor ∆T →[°C] representa la variación de temperatura K → kcal /s °C es una constante
El valor de K se logra mediante la siguiente relación K=kA/x = …………(2.2)
Para transmisión de calor por conducción, En el cual tenemos :
k →kcal /m s °C es el valor de la conductividad térmica
A [m2 ] es el valor de la sección normal al flujo de calor x [m] es el grosor del conductor
En cambio para transmisión de calor por convección se define como:
K= HA …………. (2.3)
Donde: H→[ kcal /m2 s °C] es una constante de convección
A [m2 ] es el valor del área normal al flujo de calor Resistencia y capacitancia térmicas
El valor de la resistencia térmica R cuando hay flujo de calor entre dos sustancias se precisa de la siguiente manera:
R = d T /dq …………. (2.4)
Cuando hay flujo de calor por conducción o convección la resistencia térmica se logra mediante la siguiente relación:
R =d T /dq =1/K ………(2.5)
Ya que los factores de conductividad y convección térmica permanecen casi fijos, la resistencia térmica para la conducción ó la convección es constante.
La capacitancia térmica C
se obtiene con la relación siguiente C = ∆ Q/∆ T ………(2.6) En el cual: ∆Q [kcal] es la variación del calor almacenado Donde C = mc ………(2.7)
Donde: m [kg] es el valor de la masa
c→ kcal/ kg °C es el valor del calor específico de la sustancia
Ogata(2010) menciona “El equilibrio térmico dentro de la planta de temperatura no permanece en equilibrio indefinidamente, debido a que las paredes del sistema no están hechas de un aislante perfecto, y por lo tanto, cierta cantidad de calor se pierde a través de las paredes” (p.138); se puede apreciar en la figura 2.2. el valor de flujo de calor qo que atraviesa las paredes depende de la diferencia de temperatura (To-Ta) que hay entre dichas paredes, y del valor de la resistencia térmica del material del cual está hecho.
Figura 2.2 recinto térmico
Podemos describir el comportamiento del sistema mediante la siguiente ecuación diferencial de acuerdo a la figura 2.2 como:
𝑞𝑖− 𝑞𝑜 = 𝐶𝑑𝑇
𝑑𝑡 (2.8)
𝑞𝑖 [kcal/s] es el flujo de calor que se abastece al horno
𝑞𝑜 =(To-Ta)/R [kcal/s] es el flujo de calor que atraviesa las paredes del horno R [ °C s/kcal] es el valor de la resistencia térmica de las paredes del horno
C [ kcal/ °C] es la capacitancia térmica del medio contenido en el horno Reemplazando 𝑞𝑜 =𝑇𝑜 −𝑇𝑅 𝑎 en la ecuación 2.8 se tiene la siguiente ecuación diferencial:
𝑅𝐶𝑑𝑇𝑜
𝑑𝑡 + 𝑇𝑜 = 𝑅𝑞𝑖 + 𝑇𝑎 (2.9)
Precisando la resistencia térmica efectiva Rte o de las paredes del horno; con la relación siguiente:
𝑅𝑡𝑒 = 𝑞𝑖𝑅 + 𝑇𝑎
𝑞𝑖 (2.10) 𝑅𝐶𝑑𝑇𝑜
𝑑𝑡 + 𝑇𝑜 = 𝑅𝑡𝑒𝑞𝑖 (2.11)
Convirtiendo en función de la variable S; para lo cual se halla la transformada de Laplace a la ecuación 2.11
𝑇𝑜(𝑆)
𝑄𝑖(𝑆)= 𝑅𝑡𝑒
𝑅𝐶𝑆 + 1 (2.12)
La ultima relacion hallada establece que la funcion de transferencia del horno es descrito por un sistema de primer orden.
2.2.3 Estudio de la respuesta transitoria y estado estable
Si se ha logrado obtener el modelo matemático de un cierto sistema de control que es la función de transferencia, hay muchas formas para realizar el análisis del desempeño del sistema.
El tipo de la señal de entrada para un sistema de control no se puede predecir con antelación ya que es del tipo aleatorio, y la entrada instantánea no se puede representar en forma analítica.
En ciertos casos específicos se puede conocer con antelación la señal de entrada el cual se puede representar en forma analítica o mediante curvas.
KUO(1996) afirma:
En el análisis y diseño de sistemas de control, se debe tener una base de comparación del desempeño de diversos sistemas de control. Esta base se configura especificando las señales de entrada de prueba particulares y comparando las respuestas de varios sistemas a estas señales de entrada.
Muchos criterios de diseño se basan en tales señales o en la respuesta del sistema a los cambios en las condiciones iniciales(sin señales de prueba).
El uso de señales de prueba se justifica porque existe una correlación entre las características de respuesta de un sistema para una señal de entrada de prueba común y la capacidad del sistema de manejar las señales de entrada reales.
Ya que el tiempo es la variable independiente empleada en la mayoría de los sistemas de control, es usualmente de interés evaluar las respuestas del estado y la salida con respecto al tiempo, o simplemente, la respuesta en el tiempo. En el problema de análisis, una señal de referencia se aplica al sistema, y el desempeño del sistema se evalúa al estudiar la respuesta del sistema en el dominio del tiempo.
En la mayoría de los sistemas de control, la evaluación final del desempeño de un sistema se basa en las respuestas en el tiempo; los cuales son:
la respuesta transitoria y la respuesta en estado estacionario.
Sea y(t) la respuesta en el tiempo de un sistema en tiempo continuo;
entonces, en
general, se puede escribir:
𝑦(𝑡) = 𝑦𝑡(𝑡) + 𝑦𝑠𝑠(𝑡) (2.13)
En donde yt (t) indica la respuesta transitoria; yss(t) indica la respuesta en estado estacionario.
En sistemas de control, la respuesta transitoria está definida como la parte de la respuesta en el tiempo que tiende a cero cuando el tiempo se hace muy grande. Por tanto, y t(t) tiene la propiedad de que:
𝑡→∞lim𝑦𝑡(𝑡) = 0 (2.14)
tiende a cero cuando el tiempo se hace muy grande. Da idea de la rapidez del sistema; la respuesta en estado estacionario es la parte de la respuesta total que permanece después que la transitoria ha desaparecido.
Todos los sistemas de control estables reales presentan un fenómeno transitorio antes de alcanzar la respuesta en estado estable.
𝑡→∞lim𝑦(𝑡) = 𝑦𝑠𝑠(𝑡) (2.15)
En consecuencia, la respuesta transitoria de un sistema de control es necesariamente importante, ya que es una parte significativa del comportamiento dinámico del sistema; y la desviación entre la respuesta de salida y la entrada o la respuesta deseada se debe controlar cuidadosamente antes de alcanzar el estado estable.
La respuesta en estado estacionario de un sistema de control es también muy importante, ya que indica en dónde termina la salida del sistema cuando el tiempo se hace grande.
En general, si la respuesta en estado estacionario de la salida no coincide con el valor deseado, se dice que existe un error en estado estacionario; el cual indica la exactitud del sistema.
En el problema de diseño de un sistema de control, las especificaciones se proporcionan normalmente en términos del desempeño transitorio y en estado estacionario, y los controladores se diseñan para cumplir dichas especificaciones. (p.362)
2.2.3.1 Respuesta al escalón unitario de sistemas de primer orden Aplicando la función escalón unitario(1/S) a la ecuación (2.12), obtenemos:
𝐶(𝑆) =1 𝑆. 𝑅
𝑇𝑆 + 1 (2.16)
Para determinar la solución en el tiempo expandimos en fracciones parciales la ecuación anterior
𝐶(𝑆) =𝑅
𝑆− 𝑅
𝑆 + 1/𝑇 (2.17) Aplicamos transformada inversa a la ecuación 2.17 se tiene:
𝐶(𝑡) = 𝑅 − 𝑅𝑒−𝑇𝑡 (2.18)
Ogata (2010) afirma “La ecuación plantea que la salida c(t) es inicialmente cero y al final se vuelve unitaria. Una característica es la respuesta exponencial c(t) es que, para t= T, el valor de c(t) es 0.632R, o que la respuesta alcanzó 63.2% de su valor final” (p.161)
Lo cual se puede apreciar sustituyendo t=T en (2.18), es decir:
𝐶(𝑡) = 0.632𝑅 (2.19)
La curva de respuesta de c(t) de la ecuación (2.18), se puede ver en la figura 2.3.
Figura 2.3 Respuesta al escalón para un sistema de primer-orden
Por lo tanto, para t ≥ 4T, la salida c(t) está dentro del 2% del valor final.
En la práctica, un valor razonable del tiempo establecimiento es cuando la curva alcanza el 2% del valor final, o cuatro veces constantes de tiempo.
2.2.4 Controladores
En un sistema de control, de acuerdo a la respuesta que, se establecen diferentes tipos de acciones básicas de control siendo: proporcional, derivativo e integral o la combinación de ellas.
Acciones
Básicas Combinación de acciones básicas
Proporcional
(P) Proporcional - Integrador (PI) Derivativa
(D) Proporcional - Derivativa (PD)
Integral (I) Proporcional - Integral - Derivativa (PID)
2.2.4.1 Controlador proporcional (P) Lewis Chang Yang(2005) afirma:
En estos controladores la señal de control es proporcional a la señal de error del sistema. La señal error es obtenida por el comparador entre la señal de valor deseado y el valor medido de la salida. Siendo el más simple de todos los controladores. La función de transferencia de este controlador es la siguiente, siendo, y(t) la salida del controlador y e(t) la señal de error:
𝑦(𝑡) = 𝐾𝑃. 𝑒(𝑡) (2.20)
Tomando la transformada de Laplace de la ecuación anterior, se tiene:
𝑌(𝑆) = 𝐾𝑃. 𝐸(𝑆) (2.21)
En el cual U(s) es la salida del regulador o controlador, E(s) la señal de error y Kp la ganancia del controlador.(p.278)
Figura 2.4 diagrama de bloques de control en lazo cerrado con control proporcional
“En este controlador,teóricamente, si la señal de error es cero, también lo será la salida del controlador, pero si la señal de entrada varia muy rápido, el controlador no es capaz de seguir dicha variación y el resultado es una trayectoria del tipo exponencial hasta alcanzar la salida deseada” (Lewis Chang Yang 2005, p.278)
Figura 2.5 Respuesta ideal y real de controlador P a una entrada escalón
Los controladores proporcionales (P) siempre presentan una respuesta con un cierto error o sea trabaja con desviación del punto de control es decir trabaja en una banda de control.
2.2.4.2 Controlador integral
En estos reguladores lo que se hace es integrar la señal de error, por lo que la acción pone en el punto de control la salida.
y(t) = Señal de control
e(t) = Señal Error
Ti = Tiempo integral
La salida del controlador es:
𝑦(𝑡) = 1
𝑇𝑖∫ 𝑒(𝑡). 𝑑𝑡 2.22 Tomando la transformada de Laplace, se tiene:
𝑌(𝑆) = 1
𝑇𝑖. . 𝑆𝐸(𝑆) (2.23)
La respuesta en el tiempo del controlador integral es:
Figura 2.6 Respuesta de un controlador Integral a un escalón
La velocidad de respuesta del controlador integral depende de 1/Ti. Pero elimina la desviación que presenta el controlador proporcional.
2.2.4.3 Controlador proporcional integral (PI)
Los controladores integrales no trabajan solo sino se tiene que juntar con el proporcional el cual opera en primera instancia, mientras que el integral opera en un intervalo de tiempo, eliminando la desviación que provoca la acción proporcional, (Ti= es el tiempo integral). La relación entre la salida del controlador y la señal error esta dado por la siguiente ecuación:
𝑌(𝑆) = 𝐾𝑃. (1 + 1
𝑇𝑖 𝑆) (2.24)
Donde Kp y Ti son valores ajustables del controlador PI, dichos valores se ajustan de acuerdo a los requerimientos del sistema del sistema Sirve para mejorar respuesta en estado estacionario
Figura 2.7 Respuesta de un controlador PI a un escalón .
2.2.4.4 Controlador proporcional derivativa (PD)
El controlador derivativo se adelanta a los desvíos la variable de entrada, con una consecuencia que es conveniente a la premura con que se ocasionan éstas;
Considerando:
y(t) = la variable de salida.
e(t) = Señal error
Td = Tiempo derivativo.
La salida del controlador derivativo es:
𝑦(𝑡) = 𝑡𝑑 .𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 (2.25)
Poniendo la ecuación anterior en función de la variable s, obtenemos la siguiente ecuación:
𝑌(𝑆) = 𝑇𝑑. 𝑆. 𝐸(𝑆) (2.26) Y la relación entre salida y entrada es:
𝐺(𝑆) =𝑌(𝑆)
𝐸(𝑆)= 𝑇𝑑 . 𝑆 (2.27)
El controlador derivativo no opera solo, si no que opera conjuntamente con un regulador proporcional P, la salida de ambos verifica con la siguiente relación:
𝑦(𝑡) = 𝐾𝑃. 𝑡𝑑 .𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 + 𝐾𝑃. 𝑒(𝑡) (2.28)
Kp y Td son dos parámetros ajustables de acuerdo a requerimiento del sistema. Td es llamado tiempo derivativo. Poniendo en función a la variable s la ecuación anterior, se tiene:
𝑌(𝑆) = 𝐾𝑃 ,. 𝑇𝑑. 𝑆. 𝐸(𝑆) + 𝐾𝑃. 𝐸(𝑆) (2.29)
La función de transferencia del controlador PD es:
𝐺(𝑆) = 𝑌(𝑆)
𝐸(𝑆)= 𝐾𝑃 ,. 𝑇𝑑. 𝑆 + 𝐾𝑃 (2.30)
Figura 2.8 Respuesta de un controlador PD a una rampa
En este regulador si la señal de error es un paso porque su derivada es nula, por eso la salida del regulador se estudia la respuesta cuando la entrada es una rampa unitaria. Al operar conjuntamente con un controlador proporcional las características del controlador derivativo, produce un apreciable aumento en la celeridad de respuesta del sistema, sin embargo, desperdicia exactitud en la salida (en el tiempo de trabajo del control derivativo). Sirve para mejorar respuesta transitoria del sistema.
2.2.4.5 Controlador proporcional, integral y derivativa (PID)
Es un regulador tiene cada una de las ventajas, se utiliza para mejorar tanto la respuesta transitoria y régimen en estado estacionario. El inconveniente es que se tiene 3 parámetros que ajustar; los cuales requieren más trabajo para realizar. La salida del controlador viene expresada por la ecuación siguiente:
𝑦(𝑡) = 𝐾𝑃𝑒(𝑡) + 𝐾𝑃. 𝑡𝑑.𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 + 𝐾𝑃.1
𝑇𝑖. ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 (2.31) Poniendo en función de la variable s a la ecuación 2.31, tenemos:
𝑌(𝑆) = 𝐾𝑃. 𝐸(𝑆) + 𝐾𝑃. 𝑇𝐷. 𝑆𝐸(𝑆) + 𝐾𝑃. 1
𝑇𝑖. 𝑆𝐸(𝑆) (2.32)
En el cual los valores de Kp, Ti y Td se ajustan de acuerdo a los requerimientos para cumplir con los objetivos del diseño del sistema.
La respuesta temporal del regulador PID se puede ver en la figura siguiente:
Figura 2.9 Salida del regulador PID a una rampa
2.2.5 Controlador lógico programable (PLC) Ariel Ricon(2009) afirma:
Un controlador lógico programable (PLC), también conocido como controlador programable, es el nombre dado a un tipo de ordenador de uso común en el control comercial e industrial. Los PLC se diferencian de las computadoras de oficina en las características de trabajo que hace tanto el hardware y el software que demandan para realizar estas acciones. En tanto que las utilizaciones determinadas difieren ampliamente, todos los PLC controlan las entradas y otros valores de variables, asumen decisiones establecidas en un programa almacenado, y regulan salidas para automatizar una planta o proceso. (p.3)
2.2.5.1 Funcionamiento básico de un PLC Ariel Ricon(2009) afirma:
Las unidades principales de un PLC comprenden de ingreso, de procesamiento central (CPU), de salida, y un elemento de programación como se puede ver en la figura 2.10. El tipo de unidad de entrada o de los
lugares utilizados por un PLC va depender de los módulos de entrada manejados. Ciertos equipos de entrada responden a las entradas digitales, que son encendidos o apagados. Otros requieren de las señales analógicas.
Estas señales analógicas representan las señales de una planta o proceso que se desean controlar los cuales pueden ser señales eléctricas (tensiones o corrientes).
El trabajo importante del medio de entrada de un PLC's es la de cambiar las señales entregadas por diversos interruptores y sensores en señales digitales los cuales admitan ser usados por la unidad central de proceso.
La unidad central de proceso (CPU) considera el estado de las entradas, salidas y otras variables, que opera el programa almacenado, después la CPU envía señales para actualizar el estado de las salidas.
Los módulos de salida convierten señales de control de la CPU en valores digitales o analógicos que sirven para controlar distintos dispositivos de salida.
El módulo de programación se utiliza para realizar o reemplazar el programa del controlador lógico programable o para regular o variar los programas guardados. Una vez cargado el programa y las variables asociadas se depositan en la unidad central de proceso.
Además, también puede admitir un módulo de interfaz de operador para facilitar el monitoreo de la planta o proceso.(p.4)
Figura 2.10 Componentes primordiales de un PLC 2.2.5.2 Ventajas de PLC
Ariel Ricon(2009) afirma:
Los PLCs son adecuados para realizar diferentes aplicaciones, en reemplazo del control cableado. Asimismo, el programa de PLC y los medios de relación relevan en gran parte los cables utilizados por el control de lógica cableada.
Consecuentemente, el cableado, con los PLCs, es poca. Lo que corregir errores e innovación para cualquier utilización es más sencillo.
Ventajas de los PLC son los siguientes:
• Menor dimensión físico en comparación al simple cableado.
• Más fáciles y rápido para hacer cambios.
• Los PLC realizan autodiagnóstico y anulación de funciones.
• Los diagnósticos, son centralizados.
• Las aplicaciones pueden ser inmediatamente documentadas.
• Las solicitudes se pueden duplicar más rápido y a menor costo.(p.6) 2.2.5.3 Terminología utilizada con PLC
Para entender los PLC se requiere de conceptos de algunos términos.
Los términos comúnmente utilizados con los PLCs, son los siguientes:
Ariel Ricon(2009) afirma:
A.- Sensores
Los sensores son dispositivos que convierten una variable física en una señal eléctrica para ser utilizada por un controlador, como un PLC. Los Sensores están conectados a la entrada de un PLC. Un botón es un ejemplo de un sensor que a menudo está conectado a una entrada del PLC.
B.-Actuadores
Los Actuadores son unidades que convierten una señal eléctrica desde un controlador, como un autómata, en un estado físico. Los actuadores son conectados a la salida del PLC. Un arrancador de motor figura 2.11 es un ejemplo de un actuador que a menudo es conectado a una salida del PLC.
Dependiendo del estado de la salida del PLC, el arrancador del motor suministra energía al motor o lo desenergiza.
Figura 2.11 Ejemplo de entrada, salida y actuador en PLC C.- Entradas y Salidas Discretas
Las Entradas y Salidas Discretas, también se conocen como Entradas y Salidas Digitales. Son encendidos o apagados. Pulsadores, interruptores,
interruptores fin de carrera, interruptores de proximidad, y contactos de relé son ejemplos de dispositivos conectados a entradas discretas de un PLC.
Solenoides, relés y bobinas de contactores, y el indicador de las luces son ejemplos de dispositivos conectados a salidas discretas de un PLC.
En la condición “on”, una entrada discreta o salida se representa internamente en el PLC como un 1 lógico.En la condición off, una entrada o de salida discreta se representa como un 0 lógico.(p.12)
Ariel Ricon(2009) afirma:
D.-Entradas y Salidas Analógicas
Las Entradas y Salidas Analógicas son señales continuas y variables en magnitud.
Típicas señales analógicas varían desde 0 a 20 miliamperios, de 4 a 20 miliamperios o de 0 a 10 voltios.
En el siguiente ejemplo figura 2.12, un transmisor de nivel controla el nivel de líquido en un tanque de almacenamiento y envía una señal analógica a la entrada de un PLC.
Figura 2.12 Ejemplo de aplicación de entradas y salidas analógicas en un PLC Una salida analógica desde el PLC envía una señal analógica a un medidor de panel calibrado para mostrar el nivel de líquido en el tanque.
Otras dos salidas analógicas, no mostradas aquí, están conectados a transductores de corriente a neumática que controlan válvulas neumáticas.
Esto permite al PLC controlar automáticamente el flujo de líquido dentro y fuera del tanque de almacenamiento.
E.- Unidad central de proceso (CPU)
La unidad central de procesamiento (CPU) es un sistema de microprocesador que contiene la memoria del sistema y es la unidad de toma de decisiones del PLC. La CPU controla las entradas, salidas, y otras variables y toma decisiones basándose en las instrucciones mantenidas en su memoria de programa.(p.13)
Ariel Ricon(2009) afirma:
F.-Programación Lógica en Escalera (LAD)
Un programa consiste en instrucciones que realizan determinadas tareas. El grado de complejidad de un programa de PLC depende de la complejidad del problema, el número y tipo de dispositivos de entrada y salida, y los tipos de instrucciones utilizadas.
La lógica de escalera (LAD) es un lenguaje de programación utilizado con PLCs. La lógica de escalera incorpora funciones de programación que se parecen a los símbolos utilizados en lógica cableada de control.
La línea vertical izquierda de un diagrama de lógica de escalera representa el conductor energizado. La instrucción de bobina de salida representa el neutro o de retorno del circuito.
La línea vertical derecha, que representa la vía de retorno en una lógica cableada de control, se omite. Los Diagramas de lógica de escalera se leen de izquierda a derecha y de arriba a abajo. Los peldaños son a veces denominadas redes. Una red puede tener el control de varios elementos, pero sólo una bobina de salida tal como se nuestra en la figura 3.13.(p.14)
Figura 2.13 Ejemplo de un diagrama en escalera Ariel Ricon(2009) afirma:
G.- Lista de Instrucciones y Diagramas de Funciones
Aunque los programas de lógica de escalera son todavía comunes, hay muchas otras maneras de programar los PLCs. Otros dos ejemplos comunes son lista de instrucciones y diagramas de bloques de función.
Lista de instrucciones (STL) incluyen una operación y un operando. La operación a realizar se muestra en la izquierda. El operando, el tema a ser operado, se muestra a la derecha.
Diagramas de bloques de función (FBD) incluyen funciones de forma rectangular con las aportaciones que figuran en la parte izquierda del rectángulo y las salidas se muestran en el lado derecho.
En el siguiente ejemplo figura 2.14 se muestran, los segmentos de programa realizan la misma función.
Figura 2.14 Programas en STL,FBD Y LAD
Además de LAD, STL, y FBD, otros tipos de lenguajes de programación se utilizan para PLCs.
Cada tipo de programación tiene sus ventajas y desventajas. Factores tales como la complejidad de las aplicaciones, los tipos de programación
disponible para un modelo de PLC específico, y las normas y preferencias del usuario determinan qué tipo de programación se utiliza para un problema.(p.15)
2.2.5.4 Simatic S7-1200 Siemens(2015) afirma:
Perfecta interacción entre simatics, paneles HMI e ingeniería. La división Industry Automation de Siemens presenta el nuevo Simatic S7-1200, un micro-PLC que destaca por su versátil y flexible configuración a una de alto rendimiento y tamaño muy compacto. El nuevo sistema de ingeniería Simatic Step7 Basic permite configurar tanto el controlador como los paneles básicos para HMI (interfaz hombre-máquina). Esto garantiza actividades de programación, conectividad en red y puesta en marcha particularmente rápidas y simples. Juntos, el nuevo controlador, los paneles de la línea Basic Panels y el nuevo software constituyen una oferta coordinada para tareas de automatización compactas y exigentes en la gama de Micro Automation. El micro-PLC Simatic S7-1200 es un nuevo controlador modular para aplicaciones compactas en la gama baja inferior. Durante el desarrollo del controlador y el software se ha prestado particular cuidado a una integración sin costuras y una perfecta interacción del controlador, el panel HMI y el software.
El nuevo Simatic S7-1200 puede configurarse de forma escalable y flexible, lo que permite resolver exactamente las tareas de automatización planteadas. La CPU puede ampliarse flexiblemente con módulos de E/S y
módulos de comunicaciones. En este contexto son novedad las denominadas Signal Boards, tarjetas que pueden enchufarse simplemente en el frente de la CPU; están disponibles con interfaces para dos entradas o salidas digitales, resp., o para una salida analógica. Esto permite ocupar el mínimo espacio en el caso de que sólo se procesen pocas señales. El nuevo micro- PLC puede ampliarse con dos módulos de comunicaciones, con un puerto RS232 o con un puerto RS485, para conexiones serie. El Simatic S7-1200 dispone de una interfaz Profinet integrada para simple conectividad en red y comunicación entre sistema de ingeniería, controladores y HMI, por ejemplo, para actividades de programación y de comunicación entre CPU y CPU. A través de dicha interfaz se conectan también los paneles de la gama Simatic HMI Basic Panels para fines de visualización. Para la conexión en red de varios controladores o paneles de HMI está disponible el módulo de ampliación CSM 1277, que es un switch Ethernet/Profinet no gestionado con 4 puertos. Para resolver tareas tecnológicas exigentes están integradas de serie funciones para contaje, medición, regulación y control de movimiento.
Por otro lado, y comparado con el modelo anterior, el Simatic S7-1200 dispone de un procesador más rápido y una memoria de mayor tamaño que además puede repartirse flexiblemente entre datos de programa y de aplicación. El nuevo software Simatic Step 7 Basic permite realizar toda la ingeniería tanto para el controlador como para los paneles Simatic HMI Basic Panels. Simatic Step 7 Basic V10.5 con WinCC Basic integrado para tareas de visualización facilita la labor del usuario mediante editores intuitivos y orientados a tareas para una mayor facilidad de manejo y eficiencia en la
ingeniería. La oferta coordinada de controlador y sistema de ingeniería se complementa con una gama de paneles HMI (Basic Panels) que ofrecen alto grado de protección, IP65, e interfaz Profinet integrada. Los paneles disponen de displays gráficos de entre cuatro y quince pulgadas de diagonal con pantalla táctil y teclas de función táctiles. Todos los paneles de la línea tienen la misma funcionalidad en términos de sistemas de avisos, gestión de recetas y funciones de representación de curvas.
El Simatic S7-1200 es versátil en su aplicación y es idóneo para la automatización racional de pequeñas máquinas, transportadores y otros 9 equipos de manutención al igual que la calidad de componentes distribuido de regulación dentro de sistemas de mayor jerarquía. (p.19-21),
2.2.5.5. Características del PLC S7-1200 Siemens (2015) afirma:
El controlador lógico programable (PLC) S7-1200 ofrece la flexibilidad y capacidad de controlar una gran variedad de dispositivos para las distintas tareas de automatización. Gracias a su diseño compacto, configuración flexible y amplio juego de instrucciones, el S7-1200 es idóneo para controlar una gran variedad de aplicaciones. La CPU incorpora un microprocesador, una fuente de alimentación integrada, así como circuitos de entrada y salida en una carcasa compacta, conformando así un potente PLC. Una vez cargado el programa en la CPU, ésta contiene la lógica necesaria para vigilar y controlar los dispositivos de la aplicación. La CPU vigila las entradas y cambia el estado de las salidas según la lógica del programa de usuario, que puede incluir lógica booleana, instrucciones de contaje y temporización,
funciones matemáticas complejas, así como comunicación con otros dispositivos inteligentes. Numerosas funciones de seguridad protegen el acceso tanto a la CPU como al programa de control:
● Toda CPU ofrece protección por contraseña que permite configurar el acceso a sus funciones.
● Es posible utilizar la "protección de know-how" para ocultar el código de un bloque específico.
La CPU incorpora un puerto PROFINET para la comunicación en una red PROFINET. Los módulos de comunicación están disponibles para la comunicación en redes RS485 o RS232.(p.22)
Figura 2. 15 representación del PLC S7-1200.
2.2.5.6. Módulo de Señales Siemens(2015) afirma:
La gama S7-1200 provee módulos de comunicación (CMs) que ofrecen funciones adicionales para el sistema. Hay dos módulos de comunicación, a saber: RS232 y RS485.
● La CPU soporta como máximo 3 módulos de comunicación
● Todo CM se conecta en lado izquierdo de la CPU (o en lado izquierdo de otro CM).(p.24)
(1) LEDs de estado para E/S del módulo de señales (2) Conector de bus
(3) Conector extraíble para el cableado de usuario
Figura 2. 16 representación del Módulo de Señales.
2.2.5.7 Profinet Siemens(2015) afirma:
La CPU S7-1200 incorpora un puerto PROFINET que soporta las normas Ethernet y de comunicación basada en TCP/IP. La CPU S7-1200 soporta los siguientes protocolos de aplicación:
● Transport Control Protocol (TCP)
● ISO on TCP (RFC 1006) La CPU S7-1200 puede comunicarse con otras CPUs S7-1200, programadoras STEP 7 Basic, dispositivos HMI y dispositivos no Siemens que utilicen protocolos de comunicación TCP estándar. Hay dos formas de comunicación vía PROFINET:
● Conexión directa: La comunicación directa se utiliza para conectar una programadora, dispositivo HMI u otra CPU a una sola CPU.
● Conexión de red: La comunicación de red se utiliza si deben conectarse más de dos dispositivos (p. ej. CPUs, HMIs, programadoras y dispositivos no Siemens).
Figura 2. 17 Representación de Conexiones.
Para la conexión directa entre una programadora o un HMI y una CPU no se requiere un switch Ethernet. Un switch Ethernet se requiere para una red que incorpore más de dos CPUs o dispositivos HMI. El switch Ethernet de 4 puertos CSM1277 de Siemens montado en un rack puede utilizarse para conectar las CPUs y los dispositivos HMI. El puerto PROFINET de la CPU S7-1200 no contiene un dispositivo de conmutación Ethernet.(p.26)
2.2.5.8 Comunicación con una programadora
Para la comunicación de la CPU con la programadora utilizando STEP 7 Basic en una red se muestra en la figura 2.18.
Figura 2. 18 Representación de la Comunicación con una programadora.
2.2.5.9. Establecer la conexión de hardware Siemens(2015) afirma:
Puesto que la CPU ofrece la función "auto-crossover", es posible utilizar un cable Ethernet estándar o cruzado ("crossover") para la interfaz. Para conectar una programadora directamente a una CPU no se requiere un switch Ethernet. Para crear la conexión de hardware entre una programadora y una CPU, proceda del siguiente modo:
1. Monte la CPU.
2. Conecte el cable Ethernet al puerto PROFINET que se muestra abajo.
3. Conecte el cable Ethernet a la programadora.(p.27)
(1) Puerto PROFINET
Figura 2. 19 Representación de la conexión de hardware.
2.2.5.10. Step 7 Siemens(2015) afirma:
STEP 7 proporciona un entorno de fácil manejo para programar la lógica del controlador, configurar la visualización de HMI y definir la comunicación por red. Para aumentar la productividad, STEP 7 ofrece dos vistas diferentes del proyecto, a saber: Distintos portales es orientado a tareas y organizado según las funciones de las herramientas (vista del portal) o una vista orientada a los elementos del proyecto (vista del proyecto). El usuario puede seleccionar la vista que considere más apropiada para trabajar eficientemente. Con un solo clic es posible cambiar entre la vista del portal y la vista del proyecto.
Figura 2. 20 Representación Vista del Portal y Vista del Proyecto.
Puesto que todos estos componentes se encuentran en un solo lugar, es posible acceder fácilmente a todas las áreas del proyecto. La ventana de
inspección, por ejemplo, muestra las propiedades e información acerca del objeto seleccionado en el área de trabajo. Si se seleccionan varios objetos, la ventana de inspección muestras las propiedades que pueden configurarse.
La ventana de inspección incluye fichas que permiten ver información de diagnóstico y otros mensajes. La barra de editores agiliza el trabajo y mejora la eficiencia, ya que muestra todos los editores que están abiertos. Para cambiar entre los editores abiertos, basta con hacer clic sobre el editor en cuestión. También es posible visualizar dos editores simultáneamente, ya sea en mosaico vertical u horizontal. Esta función permite mover elementos entre los editores mediante arrastrar y soltar.(p.29)
2.2.6 Sensores de Temperatura
La temperatura es parámetro físico más común que se mide en muchas aplicaciones.
De acuerdo a las aplicaciones a realizar se tienen diversos sensores de temperatura siendo los más comunes:
A. Termopar
Un termopar es un dispositivo que consiste en dos conductores diferentes al formar unión eléctrica a diferentes temperaturas. La termocupla genera una tensión dependiente de la temperatura como resultado del efecto termoeléctrico, y esta tensión sirve para medir la temperatura.
Mayné(2003) afirma:
Los termopares son baratos y robustos, tienen una estabilidad bastante buena a lo largo del tiempo. Debido a su pequeño tamaño, responden rápidamente a los cambios de temperatura. Funcionan sobre rangos de temperatura bajas, tiene una linealidad y exactitud razonable. Debido a que el número de electrones libres en un metal depende de la temperatura y de la composición del metal, dos metales de desigual isotermo, dan una diferencia de potencial que es una función repetible de la temperatura, como se muestra en la figura.
Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts lo cual se puede apreciar en la figura 2.21.(p.2)
Figura 2.21 Termocupla tipo J
Tabla 2.1 Termopares (fuente: Mayné, sensores y acondicionadores, p.3) Material de la unión Rango Típico (ºC) Sensibilidad (_V/ºC) Designación
Pt6%/Rodio – Pt (30%) /Rodio 38 a 1800 7.7 B
Tungsteno (5%) /Renio–
Tungsteno (26%) /Renio
0 a 2300 16 C
Cromo- Constantan 0 a 982 76 E
Hierro-Constantan 0 a 760 55 J
Cromo-aluminio -184 a 1260 39 K
Pt (13%) Rodio-Pt 0 a 1593 11.7 R
Pt (10%) Rodio-Pt 0 a 1538 10.4 S
Cobre-Constantan -184 a 400 45 T
B. Resistivos Arian(2014) afirma:
Un Pt100 es un sensor de temperatura. Consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal, pero si creciente y característico del platino de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. Normalmente las Pt100 industriales se consiguen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es decir dentro de un tubo de acero inoxidable ú otro material (vaina), en un extremo está el elemento sensible (alambre de platino) y en el otro está el terminal eléctrico de los cables protegido dentro de una caja redonda de aluminio ( cabezal ).como se puede apreciar en la figura 2.22
Figura 2.22 Sensor de temperatura RTD (3 hilos)
Ventajas de los Pt100 siendo levemente más costosos y mecánicamente no tán rígidos como las termocuplas, las superan especialmente en aplicaciones de bajas temperaturas. (-100 a 200 °). Los Pt100 pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone gradualmente entregando lecturas erróneas, si no que normalmente se abre, con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso.(p.2)
De entre estos 2 tipos de sensores de temperatura seleccionamos el RTD pt 100 porque este dispositivo sirve como transductor, es decir traduce el parámetro
temperatura en señal eléctrica(voltaje) 2.2.7 Relé de estado solido
Fig. 2.23 Relé de Estado Sólido.
Omega(2017) afirma:
Los relés de la serie SSRL se utilizan para controlar calentadores de gran resistencia junto con reguladores de temperatura. Los relés de estado sólido son SPST, dispositivos conmutadores normalmente abiertos sin partes móviles, capaces de realizar millones de ciclos de operaciones. Aplicando una señal de control, un SSR enciende la corriente de carga CA, del mismo modo que los contactos móviles actúan en un contactor mecánico. La
“conmutación” tiene lugar en el punto de cambio de voltaje 0 del ciclo de corriente alterna. Por esta razón, no se genera ningún ruido electrónico apreciable, por lo que los SSR son ideales para entornos en los que hay
aparatos susceptibles a RFI.(p.111)
Fig. 2.24 Elementos constituyentes de un Relé de Estado Solido
2.2.8 Hipótesis
Utilizando un controlador lógico programable en reemplazo del controlador ON-OFF INFLUYEN en el mejoramiento adecuado del control de temperatura en un horno eléctrico para la línea de producción de panadería.
2.2.9 Variables
Variable independiente:
Controlador lógico programable Variable dependiente:
Temperatura en un horno eléctrico.
