Sistema Scada

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(1)UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA MENCIÓN: SISTEMAS INDUSTRIALES SISTEMAS COMPUTACIONALES PROYECTO FINAL DEL TÓPICO DE AUTOMATIZACIÒN INDUSTRIAL PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA TEMA: CONTROL DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE UTILIZANDO PLC’s Y EL PROGRAMA “INTOUCH” COMO SISTEMA DE INTERACCIÓN HUMANO-MÁQUINA (HMI) AUTORES: RONALD BRAVO ARAGUNDI GERMANIA MONTALVO VALENCIA VICENTE AVELINO SÁENZ DIRECTOR: ING. JACINTO ECHEVERRIA GUAYAQUIL 2006-2007. 1.

(2) DECLARACIÓN EXPRESA “Las ideas, análisis, desarrollo y conclusiones implementados en el presente proyecto son exclusiva responsabilidad nuestra”. Guayaquil, Marzo 15 del 2007. -----------------------------------Ronald Bravo Aragundi. --------------------------------Germania Montalvo Valencia. -------------------------------------Vicente Avelino Sáenz. 2.

(3) AGRADECIMIENTO. Primero nuestro sincero agradecimiento a Dios por darnos la vida y ver cumplido uno de nuestros principales objetivos. A todas las personas que colaboraron con nosotros durante todo el proceso estudiantil y en especial en este proyecto hasta su culminación.. 3.

(4) DEDICATORIA. A nuestros Padres quienes con su ejemplo y respaldo nos supieron encaminar por la senda del bien.. 4.

(5) RESUMEN Con el objetivo de cubrir las etapas en el diseño e implementación de la programación en proyectos de automatización basados fundamentalmente en controladores del tipo de autómatas programables industriales y sistemas de supervisión y control, se implementa un prototipo para la producción de Biocombustible cuya base es el aceite vegetal. Inicialmente se presenta como fundamento toda la información importante acerca de los sistemas y dispositivos referentes a este proyecto. Seguidamente se indica el proceso a automatizar, con sus componentes y especificaciones fundamentales. Las siguientes fases en el desarrollo del proyecto van encaminadas al diseño y realización del programa de control. Se construye una maqueta a escala de una planta de producción de Biocombustible estándar para la simulación del proceso, este prototipo cuenta con elementos sensores, transmisores, preaccionadores, accionadores, cableado lógico siguiendo normas de dimensionamiento, además de una tarjeta electrónica de relés de control que hará la función de interfase física entre las salidas digitales del autómata (PLC) y los accionadores del proceso tales como motores, resistencias eléctricas, válvulas solenoides. Para la realización del diseño del programa de control se cuenta con el software Wpl Soft que permitirá programar los autómatas de Delta Electronics, Inc.; DVP- 20EX (Entradas y salidas digitales/analógicas) y DVP- 14ES (Entradas y salidas digitales) con puertos RS-232C para interfase de comunicación.. Para establecer la comunicación o el diálogo entre el autómata y el software de supervisión y control se utilizará el programa KEPServerEx a través del protocolo DDE (Intercambio Dinámico de Datos). Se contará con un sistema guiado por computador, con software de arquitectura abierta e integral (InTouch 9.5), que trabajará como control centralizado de 5.

(6) interacción humano-máquina (HMI) y que realizará la visualización, toma de datos y registro del proceso.. 6.

(7) ÍNDICE. Resumen. 55. Índice General. 77. Índice de Figuras. 10. Índice de Tablas. 13 13. Lista de Abreviaturas. 15 15. INTRODUCCIÓN. 17 17. CAPÍTULO 1. SISTEMAS SCADA. 1.1. Introducción a la Automatización.. 18 18. 1.1.1. Concepto de Automatización Industrial.. 19 19. 1.1.2. Objetivos de la Automatización.. 20 20. 1.1.3. Estructura de un Sistema Automatizado.. 20 20. 1.2. Introducción a los Sistemas SCADA.. 21 21. 1.3. Concepto del Sistema.. 23 23. 1.4. Interfase Humano-Máquina (HMI).. 24 24. 1.5. Componentes de un Sistema SCADA.. 24 24. 1.5.1. Estación Maestra y computador con HMI.. 25 25. 1.5.2. Unidad Terminal Remota.. 26 26. 1.5.3. Infraestructura de Comunicación.. 26 26. CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS SENSORES Y ACTUADORES. 2.1. Introducción.. 29 29. 2.2. Sensores.. 30 30. 2.2.1 Sensor de Temperatura RTD.. 30 30. 2.2.1.1. Sensor PT-100.. 32 32. 2.2.2. Sensor Capacitivo.. 35 35. 2.2.3 Sensor de Nivel Vibratorio.. 39 39. 2.2.3.1. Detector de Nivel Liquiphant T FTL20. 2.2.4. Sensor de Contraste.. 39 39 43 43. 2.3. Transmisores.. 44 44. 2.3.1. Transmisor de Temperatura TMT 187 2.4. Actuadores.. 47 47 48 48. 7.

(8) 2.4.1. Motores Eléctricos.. 48 48. 2.4.2. Sistemas de Calentamiento.. 50 50. 2.4.2.1. Resistencia Eléctrica. 2.4.3. Válvulas Solenoides. CAPÍTULO 3. 50 50 5151. EL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE. 3.1. Introducción.. 5454. 3.2. Funcionamiento del PLC.. 5454. 3.3. El PLC Delta DVP.. 6262. 3.3.1. Especificaciones generales de la Serie DVP-E.. 6262. 3.3.2. Protocolo de comunicación Delta PLC.. 6363. 3.3.3. Direcciones de dispositivos del PLC.. 64 64. 3.3.4. Introducción a componentes internos.. 64 64. 3.3.5. Ciclo de la MPU Delta DVP-ES Y EX.. 6666. 3.3.6. Programación del DVP-PLC Series.. 6767. 3.3.6.1. Editor de Modo Instrucciones.. 68 68. 3.3.6.2. Editor de Modo Diagrama.. 68 68. 3.3.6.3. Instrucciones Básicas.. 70 70. 3.3.6.4. Crear un programa.. 7272. 3.3.6.5. Compilar y cargar un programa en el PLC.. 7474. CAPÍTULO 4. INTOUCH. 4.1. Introducción.. 7676. 4.2. Características.. 76 76. 4.3. Diccionario de datos (Tagname.). 7777. 4.4. Tipos de Etiquetas.. 7979. 4.5.1. Tipo de Memoria (Memory).. 80 80. 4.5.2. Tipo Entrada/Salida (I/O).. 80 80. 4.6. Enlace de Animación (Animation Link).. 8181. 4.7. Asistentes.. 82 82. 4.8. Programación Lógica (Scripts).. 83 83 84 84. 4.8.1 Tipos.. 84 84. 4.9. Alarmas.. 85 85. 4.9.1. Tipos.. 8.

(9) 4.10. Comunicación.. 86 86. 4.10.1. DDE/ FastDDE.. 8686. 4.10.2. Configuración de InTouch para Direcciones I/O.. 8686. 4.10.3. El InTouch Access Names.. 87 87. 4.11. El Servidor I/O KEPServerEX.. 8888. 4.11.1. Componentes básicos del KEPServerEX.. 8888. 4.11.1.1. Canal de comunicación (Channel).. 89 89. 4.11.1.2. Dispositivos (Device).. 90 90. 4.11.1.3. Tags.. 90 90. 4.11.2. Comunicación InTouch/KEPServerEX. .CAPÍTULO 5. 94 94. SISTEMA DE CONTROL Y VISUALIZACIÓN PLANTA PROTOTIPO BIOCOMBUSTIBLE.. 5.1. Descripción del Proceso.. 99 99. 5.1.1. Componentes.. 100 100. 5.1.2. Funcionamiento.. 10 1 102. 5.1.3. Configuración del PLC necesario.. 103. 5.2. Solución de control con Delta PLC.. 102 103. 5.2.1. Programas PLC.. 102 104. 5.2.1.1. Programa de Control WPL Editor PLC1.. 10 2 104. 5.3.1.2. Programa de Control WPL Editor PLC2.. 10 7 107. 5.3. Interfase Humano- Máquina (HMI).. 10 9 111. 5.3.1. Diseño de Pantallas.. 109 111. 5.3.2. Creación de la aplicación en el Servidor KEPServerEx.. 112 114. 5.3.3. Creación del nombre de acceso en InTouch.. 120 122. 5.3.4. Creación de los Scripts.. 122 124. CAPÍTULO 6. COSTOS. 6.1. Lista de materiales utilizados.. 129. 6.2. Actividades realizadas.. 132. 9.

(10) Anexo A. 133 123. Datos Técnicos PLC DELTA. Anexo B.. 140 134. RS-232C. Anexo C.. 145 139. Distribución de puertos DB25. Anexo D. Tarjeta Electrónica Interfase PLC- Actuadores.. 147 141. BIBLIOGRAFÍA.. 145 151. 10.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Estructura de un Sistema Automatizado. 21 21. Figura 1.2. Ejemplo de un sistema SCADA. 22 22. Figura 1.3. Componentes de un Sistema SCADA. 2525. Figura 2.1. Sensor PT100. 32 32. Figura 2.2. Curva característica sensor PT100. 32 32. Figura 2.3. Conexión PT100 2 Hilos. 33 33. Figura 2.4. Conexión PT100 3 Hilos. 34 34. Figura 2.5. Conexión PT100 4 Hilos. 35 35. Figura 2.6. Sensor Capacitivo. Electrodo intermedio Z entre placas. 36 36. Figura 2.7. Sensor Capacitivo. Condensador abierto. 36 36. Figura 2.8. Sensor Capacitivo. Elemento de accionamiento. 37 37. Figura 2.9. Función Capacitancia vs Distancia. 37 37. Figura 2.10 Líneas Campo eléctrico Sensor Capacitivo. 38 38. Figura 2.11 Esquema Interno Sensor Capacitivo.. 38 38. Figura 2.12 Campo de detección del sensor capacitivo. 38 38. Figura 2.13 Sensor Capacitivo Sick. 39 39. Figura 2.14 Conexión eléctrica Sensor Capacitivo Sick. 3939. Figura 2.15 Sensor de nivel por vibración. 39 39. Figura 2.16 Sensor Liquiphant FTL20. 40 40. Figura 2.17 Liquiphant FTL20. Ejemplos de Instalación. 41 41. Figura 2.18 Liquiphant FTL20. Ejemplos de Instalación. Forma Correcta. 42 42. Figura 2.19 Liquiphant FTL20. Ejemplos de Instalación. Forma Incorrecta. 42. Figura 2.20 Liquiphant FTL20. Conexión Eléctrica. 43 43. Figura 2.21 Sensor de contraste Visolux. 44. Figura 2.22 Conexión transmisor de temperatura 2 Hilos. 44. Figura 2.23 Ejemplo conexión varios transmisores de temperatura. 45. Figura 2.24 Esquema funcional Transmisor vs Sensor. 46 46. Figura 2.25 Transmisor de temperatura Pt100 TMT187. 47. Figura 2.26 Asignamiento de terminales Pt100 TMT187. 48 48. Figura 2.27 Motor de inducción AC. 49 49. Figura 2.28 Bomba centrífuga. 50. Figura 2.29 Resistencia eléctrica. 51. Figura 2.30 Movimiento del émbolo dentro de una bobina. 52 52. Figura 2.31 Campo producido por una bobina. 52. 11.

(12) Figura 2.32 Válvula solenoide de dos vías de acción directa. 53. Figura 3.1. El PLC Delta DVP-20EX.. 63 63. Figura 3.2. Cable DVPACAB215 (PC →PLC, 1.5m) para RS-232. 63 63. Figura 3.3. Diagrama de tiempo de reacción del PLC Delta DVP-E. 67. Figura 3.4. El WPLSoft Editor. 67. Figura 3.5. Editor Modo Instrucciones. 68. Figura 3.6. Editor Modo Diagramas. 69. Figura 3.7. Estructura de instrucción. 70. Figura 3.8. Línea de instrucción. 70. Figura 3.9. Formato de datos. 71. Figura 3.10. Rangos de datos. 71. Figura 3.11. Direccionamiento del PLC. 71. Figura 3.12. Ejemplo de función comparador. 72 72. Figura 3.13. Ejemplo de temporizador. 72 72. Figura 3.14. Herramientas con acceso rápido desde el teclado. 72. Figura 3.15. Pantalla principal del programa. 73. Figura 3.16. Ventana de comandos básicos. 73. Figura 3.17. Bloque de funciones. 74. Figura 3.18. Compilación de un programa. 74. Figura 3.19. Cargar programa en el PLC. 75. Figura 4.1.. Programa InTouch. 76. Figura 4.2.. Método Manual para crear un tag. 78. Figura 4.3. Método Automático para crear un tag. 79. Figura 4.4. Tipos de Tag. 79. Figura 4.5. Tipos de Enlace. 82. Figura 4.6.. Librería de objetos prediseñados Wizard Selection. 82 82. Figura 4.7.. Librería Symbol Factory. 83 83. Figura 4.8.. Tipos de Scripts. 84 84. Figura 4.9.. Listado de Access Name. 87 87. Figura 4.10. Crear un Access Name. 87 87. Figura 4.11. Ventana principal del KEPServerEx. 89. Figura 4.12. Crear un canal nuevo desde la barra de herramientas o. 89 89. con el botón derecho del ratón del PC Figura 4.13. Crear un dispositivo nuevo desde la barra de herramientas o con el botón derecho del ratón del PC. 12. 90 90.

(13) Figura 4.14. Crear un tag nuevo desde la barra de herramientas o. 91 91. con el botón derecho del ratón del PC. Figura 4.15. Propiedades del Tag. 91. Figura 4.16. Menú herramientas-opciones KEPServerEx. 94. Figura 4.17. Ventana de Diálogo FastDDE/SuiteLink. 95. Figura 4.18. Ejemplo aplicación en el servidor KEPServerEx. 96 96. Figura 4.19. Ejemplo configuración del Access Name de InTouch.. 97 97. Figura 4.20. Ejemplo configuración del Tagname Dictionary de InTouch.. 98 98. Figura 5.1.. Diagrama de Flujo del Proceso de Biocombustible. 99. Figura 5.2.. Maqueta representativa del Proceso de Biocombustible.. 101. Figura 5.3.. Tarjeta de Interfase entre salidas del PLC y dispositivos de campo. 101. Figura 5.4.. Módulos con PLC´s DELTA utilizados en el proyecto.. Figura 5.5.. PantallaMenú Principal. 111 109. Figura 5.6.. Pantalla Tanque Alcohol. 111 110. Figura 5.7.. Pantalla Catalizador-Aceite. 112 110. Figura 5.8.. Pantalla Reactor. 113 111. Figura 5.9.. Pantalla Decantador - Tanques Finales. 114 111. 103. Figura 5.10. Pantalla Registrador de temperatura Reactor. 115 112. Figura 5.11. Creación del canal de acceso.. 113. Figura 5.12. Configurando el controlador del PLC Delta. 115 114. Figura 5.13. Puerto de comunicación en la estación maestro, velocidad de. 115 115. transmisión y características de la trama. 116. Figura 5.14. Creación del Dispositivo. 116 115. Figura 5.15. Selección del modelo del Dispositivo. 117 115. Figura 5.16. Asignación de dirección o ID del Dispositivo. 118 116. Figura 5.17. Resumen de propiedades del Dispositivo creado. 119 116. Figura 5.18. Ventana de la Aplicación para PLC1 Y PLC2. 120 117. Figura 5.19. Configuración de un Tag. 120 118. Figura 5.20. Lista de Tags del PLC1 en el Servidor de Datos. 121 119. Figura 5.21. Lista de Tags del PLC2 en el Servidor de Datos. 121 120. Figura 5.22. Access Name para el PLC1. 122 120. Figura 5.23. Access Name para el PLC2. 123 121. Figura 5.24. Lista de tags en InTouch. 123. Figura 5.25. Escritura de Aplicación. 124. Figura 5.26. Configurando una condición de Escritura. 127. 13.

(14) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Direcciones de dispositivos del PLC Delta. 64 64. Tabla 2. Rangos Temporizadores PLC Delta. 6565. Tabla 3. Algunas Instrucciones Básicas. 68 68. Tabla 4. Comparación comandos Modo Diagrama y Modo Instrucciones. 69 69. Tabla 5. Tipos de Función Comparación. 71 71. Tabla 6. Tipos de Script. 84 84. Tabla 7. Simbólico PLC1. 102 102. Tabla 8. Simbólico PLC2. 107 107. Tabla 9. Direccionamiento para dispositivos Modbus ASCII. 117 117. Tabla 10. Direcciones utilizadas del PLC DELTA DVP-ES y EX Series. 118 118. 14.

(15) LISTA DE ABREVIATURAS CPU. Unidad Central de Procesamiento (Central Processing Unit). DCS. Sistema de control distribuido (Distributed Control System). DDE. Intercambio Dinámico de Datos (Dynamic Data Extrange). DLL. Librerías Dinámicas de enlace (Dynamic Link Libraries). EEPROM. Memoria de sólo lectura, alterables por medios eléctricos (Electric Eraser Programmable Read Only Memory).. EPROM. Memoria de sólo lectura, reprogramables con borrado por ultravioletas (Eraser Programmable Read Only Memory).. . HMI. Interfase Humano – Máquina (Human Machine Interface). I/O. Entrada/Salida (Input/Output).. MPU. Unidad Principal de Procesamiento (Main Processing Unit).. MTU. Unidad Terminal Maestra (Master Terminal Unit).. 15.

(16) NTC. Resistor con coeficiente de temperatura negativo (Negative Temperatura Coeficient).. PC. Computador Personal (Personal Computer). PLC. Controlador Lógico Programable (Programmable Logic Controllers). PTC. Resistor con coeficiente de temperatura positivo (Positive Temperatura Coeficient).. PT-100. Termoresistencia de Platino (Platinum Thermometer). RAM. Memoria de lectura y escritura (Random Access Memory). ROM. Memoria de solo lectura, no reprogramable (Read Only Memory). RTD. Detector resistivo de temperatura (Resistive Temperatura Detector). RTU. Unidad Terminal Remota (Remote Terminal Unit). SCADA. Control Supervisor y Adquisición de Datos (Supervisory Control and Data Adquisition).. 16.

(17) INTRODUCCIÓN. Este proyecto se divide en dos partes fundamentales. Una parte teórica donde revisamos las características que debe presentar un sistema SCADA; así como, la configuración, estructura e integración de sus componentes: Software y Hardware; es decir, la parte lógica y física del sistema que permite el funcionamiento de las distintas partes de la industria donde se aplica, como un único sistema funcional. La segunda parte es práctica. Mediante dos PLC´s de Delta Electronics, un PC y el programa InTouch implementaremos una pequeña aplicación SCADA en nuestro computador. Cabe decir que esta aplicación es una introducción a la supervisión mediante software SCADA en formato HMI. Aunque en dicha parte aparezcan datos teóricos más específicos sobre estos sistemas, estos tendrán relación práctica con el trabajo realizado en éste proyecto. La finalidad es implementar un sistema de control y de visualización del proceso de producción de biocombustible desde un PC el cual será representado por una maqueta con dispositivos industriales reales y simulados. El control lógico secuencial lo realizarán los PLC´s a donde ingresan todas las señales de entrada del sistema (parámetros del proceso como nivel, temperatura) el cual procesará toda la información y enviará señales de salida para controlar y regular el proceso (controles como arranque de motores, control de válvulas, etc.) La interfase HMI desarrollada en InTouch permitirá supervisar el control de la planta y no solamente monitorear las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, podemos actuar y cambiar las variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad intuitiva que dan los sistemas SCADA.. 17.

(18) CAPÍTULO 1 SISTEMAS SCADA 1.1. INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN. Las primeras máquinas eran simples que sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un gran peso con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua. Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controladas por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales, algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música etc. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde el año 300 AC. La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas ventajas son repetibilidad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Para mediados del siglo 20, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición y evolución de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales era exclusivamente computadoras analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser. 18.

(19) humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento." Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. La mayoría de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización. Las computadoras especializadas, referidas como Controlador Lógico Programable, son utilizadas frecuentemente para sincronizar el flujo de entradas de sensores y eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos. Las interfaces Humano-Máquina (HMI), son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma.. 1.1.1. CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. Automatización Industrial. (Automatización; del griego antiguo: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. 1.1.2.. OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN.. Los objetivos principales que hacen de la automatización un factor importante son:. 19.

(20) a) Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y mejorando la calidad de la misma. b) Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad. c) Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente. d) Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso. e) Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo. f) Integrar la gestión y producción. 1.1.3. ESTRUCTURA DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO. Un sistema automatizado consta de dos partes principales: Parte de Mando Parte Operativa La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre el proceso o máquina. Son los elementos que hacen que el proceso funcione y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores del proceso como motores, servomotores, cilindros neumáticos o hidráulicos, compresores, etc., y los captadores o sensores como interruptores de nivel, sensores de temperatura, finales de carrera, etc. La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable está en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.. 20.

(21) D I A L O G O. Figura 1.1. Estructura de un Sistema Automatizado 1.2. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS SCADA. SCADA, por sus siglas en inglés Supervisory Control and Data Adquisition (en español, Control supervisorio y adquisición de datos). Comprende todas aquellas soluciones de aplicación para referirse a la captura de información de un proceso o planta industrial (aunque no es absolutamente necesario que pertenezca a este ámbito), con esta información es posible realizar una serie de análisis o estudios con los que se pueden obtener valiosos indicadores que permitan una retroalimentación sobre un operador o sobre el propio proceso, tales como: Indicadores sin retroalimentación inherente (no afectan al proceso, sólo al operador): Estado actual del proceso. Valores instantáneos; Desviación o deriva del proceso. Evolución histórica y acumulada; Indicadores con retroalimentación inherente (afectan al proceso, después al operador): ✔. Generación de alarmas;. ✔. HMI Human Machine Interface (Interfase humano-máquina);. ✔. Toma de decisiones:. 21.

(22) ➢. Mediante operatoria humana;. ➢. Automática (mediante la utilización de sistemas basados en el conocimiento o sistemas expertos).. El sistema SCADA lee las medidas de flujo y nivel y envía los puntos de ajuste a los PLCs.. PLC1 compara la medida de flujo con el punto de ajuste, controla la velocidad de la bomba hasta igualar el flujo ajustado.. PLC2 compara la medida de nivel con el punto de ajuste, controla el flujo a través de la válvula hasta igualar el nivel ajustado. Figura 1.2. Ejemplo de un sistema SCADA Esta información capturada es de aplicación en plantas industriales tal y como pueden ser: ✔. Monitorear procesos químicos, físicos o de transporte en sistemas de suministro de agua, para controlar la generación y distribución de energía eléctrica de gas o en oleoductos y otros procesos de distribución.. ✔. Gestión de la producción (facilita la programación de la fabricación);. ✔. Mantenimiento (proporciona magnitudes de interés tales para evaluar y determinar modos de fallo, índices de fiabilidad, entre otros);. ✔. Control de Calidad (proporciona de manera automatizada los datos necesarios para calcular índices de estabilidad de la producción);. 22.

(23) ✔. Administración (actualmente pueden enlazarse estos datos del SCADA con un servidor ERP (Enterprise Resource Planning o sistema de planificación de recursos empresariales), e integrarse como un módulo más);. ✔. Tratamiento histórico de información (mediante su incorporación en bases de datos).. 1.3. CONCEPTO DEL SISTEMA. Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos y actuadores e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos, etc.). Las funciones contenidas están restringidas casi siempre al sitio base o un nivel de capacidad supervisada. Por ejemplo un PLC puede controlar la temperatura del material contenido en un tanque a través de un proceso, pero un sistema SCADA puede permitirle a un operador el cambio del punto de control para la temperatura y podrá permitir grabar y mostrar cualquier condición de alarma como una alta temperatura. El control cíclico de retroalimentación es cerrado a través del RTU o el PLC; el sistema SCADA monitorea el desempeño en conjunto y su retorno. La adquisición de datos inicia al nivel del RTU o del PLC e incluye lectores de medidores y equipo de estado que están comunicados con SCADA según su requerimiento. Los datos son recopilados y formateados de tal manera que un operador en el centro de control usando la interfase humano-máquina puede supervisar apropiadamente decisiones que pueden ser requeridas para ajustar o normalizar una variable en los controles RTU (o PLC). En consecuencia, supervisamos el control de la planta y no solamente monitoreamos las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, podemos actuar y modificar las variables de control en tiempo real. Esto es posible al adquirir un sistema SCADA o sistema de control distribuido (DCS) por un proveedor simple, es posible también al ensamblar un sistema SCADA por componentes como Wonderware InTouch, WinCC de Siemens, Allen-Bradley & General Electric PLCs, equipos de comunicación Ethernet etc, PLC's Simatic.. 23.

(24) 1.4. INTERFASE HUMANO-MÁQUINA (HMI) Una interfase Humano - Maquina o HMI (por su siglas en inglés) es el dispositivo que presenta los datos a un operador (humano) y a través del cual este controla el proceso. La industria de HMI nació esencialmente de la necesidad de estandarizar la manera de monitorear y de controlar múltiples controles remotos, PLCs y otros mecanismos de control. Mientras que un PLC provee automáticamente un control pre-programado sobre un proceso, ellos usualmente se distribuyen a lo largo de toda la planta, haciendo difícil recoger los datos de manera manual. Históricamente los PLC no tienen una manera estándar de presentar la información al operador. La obtención de los datos por el sistema SCADA parte desde el PLC y otros controladores por medio de algún tipo de red y luego esta información es combinada y formateada. Un HMI puede tener también vínculos con una base de datos para proveer las tendencias, los datos de diagnóstico y manejo de la información así como un cronograma de procedimientos de mantenimiento, información logística, esquemas detallados para un sensor o máquina en particular, incluso sistemas expertos con guía de resolución de problemas. Desde cerca de 1998, virtualmente todos los productores principales de PLC ofrecen integración con sistemas HMI/SCADA, muchos de ellos usan protocolos de comunicaciones abiertos y no propietarios. Numerosos paquetes de HMI/SCADA de terceros ofrecen compatibilidad incorporada con la mayoría de PLCs, incluyendo la entrada al mercado de ingenieros mecánicos, eléctricos y técnicos para configurar estas interfases por sí mismos, sin la necesidad de un programa hecho a medida escrito por un desarrollador de software. SCADA es popular debido a esta compatibilidad y seguridad. Esta se usa desde aplicaciones pequeñas, como controladores de temperatura en un espacio, hasta aplicaciones muy grandes como el control de plantas nucleares. 1.5. COMPONENTES DE UN SISTEMA SCADA. Los tres componentes de un sistema SCADA son: 1. Estación Maestra y Computador con HMI (MTU). 2. Múltiples Unidades de Terminal Remota (RTU, PLC o Estaciones Externas).. 24.

(25) 3. Infraestructura de Comunicación. Figura 1.3. Componentes de un Sistema SCADA 1.5.1. ESTACIÓN MAESTRA Y COMPUTADOR CON HMI. El término "Estación Maestra" o MTU se refiere a los servidores y el software responsable de comunicarse con el equipo del campo (RTUs, PLCs, etc.) en estos se encuentra el software HMI ejecutándose para las estaciones de trabajo en el cuarto de control, o en cualquier otro lado. En un sistema SCADA pequeño, la estación maestra puede estar en un solo computador, A gran escala, en los sistemas SCADA la estación maestra puede incluir muchos servidores, aplicaciones de software distribuido, y sitios de recuperación de desastres. El sistema SCADA usualmente presenta la información al personal operativo de manera gráfica, en la forma de un diagrama de representación. Esto significa que el operador puede ver un esquema que representa la planta que está siendo controlada. Por ejemplo un dibujo de una bomba conectada a la tubería puede mostrar al operador cuanto fluido esta siendo bombeado desde la bomba a través de la tubería en un momento dado. El software HMI mostrará el promedio de fluido en la tubería decrementándose en tiempo real.. 25.

(26) Los diagramas de representación pueden consistir en gráficos de líneas y símbolos esquemáticos para representar los elementos del proceso, o pueden consistir en fotografías digitales de los equipos sobre los cuales se animan las secuencias. El paquete HMI para el sistema SCADA típicamente incluye un programa de dibujo con el cual, los operadores o el personal de mantenimiento del sistema usan para cambiar la manera que estos puntos son representados en la interfase. 1.5.2. UNIDAD TERMINAL REMOTA. Estos computadores están situados en los nodos estratégicos del sistema gestionando y controlando las subestaciones del sistema, reciben las señales de los sensores de campo, y comandan los elementos finales de control ejecutando el software de la aplicación SCADA. Se encuentran en el nivel intermedio o de automatización, a un nivel superior está el MTU y a un nivel inferior los distintos instrumentos de campo que son los que ejercen la automatización física del sistema, control y adquisición de datos. Estos computadores no tienen porque ser PCs, ya que la necesidad de soportar un HMI no es tan grande a este nivel, por lo tanto suelen ser ordenadores industriales tipo armarios de control, aunque en sistemas muy complejos puede haber subestaciones intermedias en formato HMI. Una tendencia actual es la de dotar a los PLCs (en función de las E/S a gestionar) con la capacidad de funcionar como RTUs gracias a un nivel de integración mayor y CPUs con mayor potencia de cálculo. Esta solución minimiza costes en sistemas donde las subestaciones no sean muy complejas sustituyendo el ordenador industrial mucho más costoso. 1.5.3. INFRAESTRUCTURA DE COMUNICACIÓN. · RED DE COMUNICACIÓN: Éste es el nivel que gestiona la información que los instrumentos de campo envían a la red de ordenadores desde el sistema. El tipo de BUS utilizado en las comunicaciones puede ser muy variado según las necesidades del sistema y del software escogido para implementar el sistema SCADA, ya que no. 26.

(27) todos los programas (así como los instrumentos de campo como PLCs) pueden trabajar con todos los tipos de BUSES. Hoy en día, gracias a la estandarización de las comunicaciones con los dispositivos de campo, podemos implementar un sistema SCADA sobre prácticamente cualquier tipo de BUS. Podemos encontrar SCADA´s sobre formatos estándares como los RS232, RS-422 y RS-485, hasta formas más modernas de comunicación como Bluetooth (Bus de Radio), Micro-Ondas, Satélite, Cable. A parte del tipo de BUS, existen interfaces de comunicación especiales para la comunicación en un sistema SCADA como puede ser módems para estos sistemas que soportan los protocolos de comunicación SCADA y facilitan la implementación de la aplicación. Otra característica de las comunicaciones de un sistema SCADA es que la mayoría se implementan sobre sistemas WAN de comunicaciones, es decir, los distintos terminales RTU pueden estar deslocalizados geográficamente. · GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS: Se encarga del almacenamiento y procesado ordenada de los datos, según formatos inteligibles para periféricos hardware (impresoras, registradores) o software (bases de datos, hojas de cálculo) del sistema, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Pueden seleccionarse datos de planta para ser capturados a intervalos periódicos, y almacenados como un registro histórico de actividad, o para ser procesados inmediatamente por alguna aplicación software para presentaciones estadísticas, análisis de calidad o mantenimiento. Esto último se consigue con un intercambio de datos dinámico entre el SCADA y el resto de aplicaciones que corren bajo el mismo sistema operativo. Por ejemplo, el protocolo DDE de Windows permite intercambio de datos en tiempo real. Para ello, el sistema SCADA actúa como un servidor DDE que carga variables de planta y las deja en memoria para su uso por otras aplicaciones Windows, o las lee en memoria para su propio uso después de haber sido escritas por otras aplicaciones.. 27.

(28) Una vez procesados, los datos se presentan en forma de gráficas analógicas, histogramas, etc., que permiten después analizar la evolución global del proceso. · EL MÓDULO DE COMUNICACIONES: contiene los controladores o drivers de conexión con el resto de elementos digitales conectados, entendiendo el driver como un programa (software) que se encarga de la iniciación del enlace, aplicación de los formatos, ordenación de las transferencias, etc., en definitiva, de la gestión del protocolo de comunicación. Estos protocolos pueden ser abiertos (Modbus, Fieldbus, Map, etc.), o propios de fabricante. Estos controladores, propios del sistema SCADA, deben comunicarse con otros paquetes de software por medio de DDE (Dynamic Data Exchange) DLL (Dynamic Link Libraries) como canal de comunicación, implementados por el sistema operativo, que permite que diversos paquetes de software envíen y reciban datos comunes. Por ejemplo se puede relacionar una celda de una hoja de cálculo con una variable del sistema y así variar puntos de consignas del proceso, o bien comunicación directa con los controladores de E/S de los dispositivos de campo.. 28.

(29) CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS SENSORES Y ACTUADORES 2.1. INTRODUCCIÓN. En un sistema automatizado, el sensor es el elemento dispuesto expresamente con la misión de obtener información, en forma de señal eléctrica, sobre la propiedad medida. Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio, sugiere que la señal de entrada y la salida no deben ser homogéneas. Para el caso en que lo fueran se propuso el término “modificador”, pero no tuvo aceptación. La distinción entre transductor de entrada (señal física/señal eléctrica) y transductor de salida (señal eléctrica presentación) está prácticamente en desuso. La tendencia actual, particularmente en robótica, es emplear el término sensor para designar al transductor de entrada, y el término actuador o accionamiento para designar el transductor de salida. Los primeros pretenden la obtención de información, mientras que los segundos buscan la conversión de energía. A veces, sobre todo en el caso de la medida de magnitudes mecánicas, puede señalarse la presencia de un elemento designado como sensor primario, que convierte la variable de medida en una señal de medida, siendo el sensor electrónico quien la convierte en una señal eléctrica. Por ejemplo un método para medir una diferencia de presiones, consiste en emplear un diafragma cuya deformación se mide mediante una galga extensiométrica. En este caso el diafragma es el sensor primario y la galga hace de transductor. No obstante se denomina transductor al conjunto de ambos elementos.. 29.

(30) 2.2. SENSORES. Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc. todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. Pero el tema constructivo de los sensores lo dejaremos a un lado, ya que no es el tema que nos ocupa,. pretendemos explicar brevemente los tipos de sensores. utilizados para este proyecto. 2.2.1 SENSOR DE TEMPERATURA RTD. Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante. El coeficiente de resistencia de temperatura, generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de cambio de resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y la temperatura es constante y que la resistencia y la temperatura se graficarán en una línea recta. Termómetros de Resistencia: La medición de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.. 30.

(31) La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: Rt = R0 (1 + a t) En la que: R0 = Resistencia en ohmios a 0°C. Rt = Resistencia en ohmios de la temperatura t en °C. a = Coeficiente de temperatura de la resistencia. t = Temperatura en °C Cuando se usa un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere como detector resistivo de temperatura, o RTD (por las siglas en ingles de resistive temperature detector). El detector resistivo de temperatura (RTD) se basa en el principio según el cual la resistencia de todos los metales depende de la temperatura. La elección del platino en los RTD de la máxima calidad permite realizar medidas más exactas y estables hasta una temperatura de aproximadamente 500 ºC. Los RTD más económicos utilizan níquel o aleaciones de níquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean platino. Los termómetros de resistencia de platino (PRT) ofrecen excelente exactitud por encima de un amplio rango de temperatura (de -200 a 850 °C) y están disponibles de muchos fabricantes con varias especificaciones de exactitud y las numerosas opciones del empaquetamiento para satisfacer la mayoría de las aplicaciones. El principio de funcionamiento es medir la resistencia de un elemento de platino. El tipo más común (PT100) tiene una resistencia de 100 ohmios a 0°C y 138.4 ohmios a 100 °C. Hay también PT1000 sensores que tienen una resistencia de 1000 ohmios a 0 °C.. 31.

(32) La relación entre temperatura y la resistencia es aproximadamente lineal encima de un rango de temperatura pequeño: por ejemplo, si usted asume que es lineal encima de los 0 a 100 °C, el error a las 50 °C es 0.4 °C. Para precisión de la medida, es necesario linealizar la resistencia para obtener una temperatura exacta. 2.2.1.1. SENSOR PT-100. Un Pt100 es un sensor de temperatura tipo RTD. Consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica.. Figura 2.1. Sensor PT100 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.. Figura 2.2. Curva característica sensor PT100. 32.

(33) 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 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 metal. 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. Este comportamiento es una gran ventaja en usos como cámaras frigoríficas donde una desviación no detectada de la temperatura podría producir algún daño grave. Además la Pt100 puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensión. Conexión de la PT-100: Existen 3 modos de conexión para las Pt100, cada uno de ellos requiere un instrumento lector distinto. El objetivo es determinar exactamente la resistencia eléctrica R (t) del elemento sensor de platino sin que influya en la lectura la resistencia de los cables Rc. Conexión con dos hilos: El modo más sencillo de conexión (pero menos recomendado) es con solo dos cables. En este caso las resistencias de los cables Rc1 y Rc2 que unen la Pt100 al instrumento se suman generando un error inevitable. El lector medirá el total R (t)+Rc1+Rc2 en vez de R (t). Lo único que se puede hacer es usar cable lo más grueso posible para disminuir la resistencia de Rc1 y Rc2 y así disminuir el error en la lectura.. Figura 2.3. Conexión PT100 2 Hilos. 33.

(34) Por ejemplo si la temperatura es 90°C, entonces R (t) = 134.7 ohmios, pero si el cable Rc1 tiene 1.3 ohmios y el Rc2 tiene 1.2 ohmios entonces la resistencia medida será 134.7+1.3+1.2 = 137.2 ohmios y la lectura del instrumento será 96 °C. Un cable común razonablemente grueso sería uno de diámetro equivalente a 18 AWG. La resistencia de este cable es 0.0193 ohmios por metro. Por ejemplo si se usa este cable para medir una resistencia a 15 metros de distancia, la resistencia total de los cables será 15*2*0.0193 = 0.579 ohmios lo que inducirá un error de 1.5°C en la lectura. Conexión con tres hilos: El modo de conexión de 3 hilos es el más común y resuelve bastante bien el problema de error generado por los cables.. Figura 2.4. Conexión PT100 3 Hilos El único requisito es que los tres cables tengan la misma resistencia eléctrica pues el sistema de medición se basa (casi siempre) en el "puente de Wheatstone". Por supuesto el lector de temperatura debe ser para este tipo de conexión. Se hace pasar una corriente conocida a través de los cables comunes con lo cual el instrumento mide 2Rc. Luego mide la resistencia por el cable independiente y uno de los cables comunes para finalmente restarle 2Rc al valor medido y obtener R (t). Conexión con cuatro hilos: El método de 4 hilos es el más preciso de todos, los 4 cables pueden ser distintos (distinta resistencia) pero el instrumento lector es más costoso.. 34.

(35) Figura 2.5. Conexión PT100 4 Hilos Por los cables 1 y 4 se hace circular una corriente I conocida a través de R (t) provocando una diferencia de potencial V en los extremos de R (t). Los cables 2 y 4 están conectados a la entrada de un voltímetro de alta impedancia luego por estos cables no circula corriente y por lo tanto la caída de potencial en los cables Rc2 y Rc3 será cero (dV=Ic*Rc=0*Rc=0) y el voltímetro medirá exactamente el voltaje V en los extremos del elemento R(t). Finalmente el instrumento obtiene R (t) al dividir V medido entre la corriente I conocida. 2.2.2. SENSOR CAPACITIVO Un condensador en su forma tradicional se compone de dos placas de electrodo y un dieléctrico, un medio no conductivo, o bien, sólo de conductibilidad débil. La capacidad C = ξ (A/d) es determinada por la superficie A, la distancia d, y la constante dieléctrica ξ = (ξ0 × ξr). ξ; indica la propiedad dieléctrica de este medio. ξ0; es la constante dieléctrica absoluta del vacío. ξr; es la constante dieléctrica, una constante del material (dependiente de la densidad). El electrodo del sensor y su efecto se explican mediante una deducción paso a paso de su forma geométrica. Los campos de dispersión en los bordes de placas no deben tenerse en cuenta.. 35.

(36) En el centro, entre dos placas circulares A1 y A2 de un condensador, se encuentra a una distancia d/2 un “electrodo intermedio” Z adicional plegado, de buena conductibilidad, de grosor D = 0.. Figura 2.6. Electrodo intermedio Z entre placas Una tensión aplicada genera un campo eléctrico entre A1 y A2. Éste induce en el electrodo Z el potencial U/2. Como consecuencia de ello, el “electrodo intermedio” asume la función de otra placa de condensador. De este modo, el condensador queda dividido tanto geométrica como eléctricamente en dos condensadores conectados en serie. Si se desensamblan estos condensadores parciales, las placas A1 y A2 se encuentran una junto a otra en un mismo plano y el “electrodo intermedio” Z en un segundo plano a la distancia d/2. Así se obtiene un condensador “abierto”.. Figura 2.7. Condensador abierto. 36.

(37) Los campos están orientados en sentido opuesto en las mitades de condensador. En sensores capacitivos este condensador “abierto” se emplea como elemento sensor. La placa A2 está, sin embargo, concebida para la simetría del campo eléctrico como un electrodo en anillo concéntrico respecto a A1 (carcasa), y el “electrodo intermedio” es el “elemento de accionamiento”. La “superficie activa” de este elemento sensor corresponde al electrodo en anillo A2.. Figura 2.8. Elemento de accionamiento La fórmula de capacidad también sigue siendo válida con las premisas definidas anteriormente para esta geometría de condensador. Por tanto, el valor de capacidad C como función de la distancia disminuye de forma hiperbólica (con 1/d).. Figura 2.9. Función capacitancia vs distancia. Los materiales no conductivos (plásticos, vidrio y también líquidos) pueden ser detectados por sensores capacitivos si ξr es muy superior a ξ0; las consideraciones realizadas hasta ahora se basaban en que para las líneas de campo el recorrido de menor resistencia pasa por el elemento de accionamiento. Si ahora falta el elemento de accionamiento (d → ∞; ξr = 1, C → 0) las líneas discurren en forma de arco del electrodo central al electrodo en anillo. El recorrido de menor resistencia está determinado por el efecto de rechazo de las líneas de campo de idéntico sentido. De este modo, los arcos y sus distancias van aumentando cada vez más hacia fuera. 37.

(38) Figura 2.10. Líneas Campo eléctrico Sensor Capacitivo Si un elemento de accionamiento eléctrico no conductivo penetra en el campo de el sensor, la capacidad varía proporcionalmente a ξr y a la profundidad de penetración, o bien, a la distancia respecto a la “superficie activa”. Los grupos funcionales de un detector de proximidad capacitivo son los siguientes:. Figura 2.11. Esquema Interno Sensor Capacitivo. Superficie activa es la zona a través de la cual el campo de sensor de alta frecuencia penetra en el espacio de aire. Está determinada principalmente por la superficie básica de la cubierta protectora y corresponde aproximadamente la superficie del electrodo de sensor externo.. Figura 2.12. Campo de detección del sensor capacitivo Ejemplos de aplicación: Vigilancias de nivel de llenado en caso de: Líquidos. 38.

(39) Sustancias pulverizadas y granuladas Detección y cómputo de piezas de los siguientes materiales: Metales Plásticos Vidrio Para nuestra aplicación hemos utilizado un sensor capacitivo como interruptor de nivel. Se trata de un sensor marca SICK modelo CM18-12NPP KW1. Figura 2.13 Sensor capacitivo Sick. Figura 2.14 Conexión eléctrica. 2.2.3. SENSOR DE NIVEL VIBRATORIO. Su función es detectar nivel por vibración ya que dispone de un sistema de diapasón vibratorio. El circuito electrónico actúa sobre un sistema piezoeléctrico, el cual hace vibrar el diapasón a su frecuencia natural. El cambio de frecuencia en presencia de un líquido o de amplitud en presencia de un sólido, es detectado por el circuito de control, que cambia el estado de la señal de salida.. Figura 2.15 Sensor de nivel por vibración 2.2.3.1. INTERRUPTOR DE NIVEL LIQUIPHANT FTL20. El Liquiphant FTL 20 es un interruptor de límite de nivel para todos los tipos de fluidos y se usa en tanques, recipientes y tuberías.. 39.

(40) Es usado en tanques como un protector de sobrellenado o como un protector de la bomba cuando los depósitos a descargar se quedan vacíos. El FTL 20 es ideal para las aplicaciones en las qué previamente se usó un interruptor de nivel tipo flotador y sensores conductivo, capacitivo y óptico. También funciona en aplicaciones que son impropias para los métodos anteriores midiendo debido a conductibilidad, incrementos de flujo, turbulencia, burbujas de aire. El FTL 20 no es conveniente para áreas peligrosas, áreas de higiene y áreas donde la temperatura media esta por encima de los 100°C. Entre los beneficios importantes podemos mencionar los siguientes: La seguridad operacional, fiabilidad y aplicabilidad universal a través del uso del principio de medición por vibración de horquillas. Opción de prueba externa por medio de un imán natural. Control en sitio gracias a la luz piloto integrada. Fácil para instalar incluso en puntos de difícil acceso debido a su construcción compacta. Cubierta resistente en acero inoxidable.. Figura 2.16. Sensor Liquiphant FTL20. 40.

(41) Descripción funcional: Las horquillas de sintonización del FTL 20 son excitadas a su frecuencia de resonancia por medio de un accionador piezoeléctrico. Esta frecuencia cambia si las horquillas son cubiertas por el fluido. La electrónica del FTL20 monitorea la frecuencia de resonancia e indica si las horquillas de sintonización están oscilando libremente o si el fluido está cubriéndolo. Ejemplos de instalación: El Liquiphant FTL 20 puede instalarse en cualquier posición en un tanque o tubería. La formación de espuma no deteriora su función.. Figura 2.17 Ejemplos de Instalación Liquiphant FTL20. Ejemplo 1: Protección de sobrellenado o detección de nivel alto. Ejemplo 2: Protección de bombas en depósitos vacíos. Ejemplo 3: Detección de nivel bajo. Instrucciones de aplicación: Es conveniente para cualquier fluido, considerando que las horquillas del FTL 20 puedan oscilar libremente. El fluido también puede contener sólidos más pequeños que 5 mm. El FTL 20 incluso funciona cuando un ligero depósito se ha formado en las horquillas. Cuando es instalado en espacios confinados o cuando es usado en fluidos viscosos, las horquillas no pueden oscilar suficientemente. Entonces el sensor detecta incorrectamente, las horquillas han sido cubiertas por el fluido.. 41.

(42) Figura 2.18. Forma Correcta. Figura 2.19. Forma Incorrecta. El FTL 20 puede conectarse en dos modos de operación. Estos pueden ser modo Máximo o Mínimo. Nosotros podemos seleccionar el tipo de operación a trabajar. MAX– Modo máximo El FTL 20 mantiene el interruptor electrónico cerrado siempre que el nivel del fluido esté debajo de las horquillas. Ejemplo aplicación: protección del sobrellenado MIN– Modo mínimo El FTL 20 mantiene el interruptor electrónico cerrado siempre que las horquillas se sumerjan en el fluido. Ejemplo aplicación: protección para bombas en depósitos vacíos. Como se muestra en la figura 2.20 se requiere de un relé externo para el funcionamiento del circuito de control del sensor. Ya sea en el modo para nivel mínimo o máximo cualquier cambio de estado en el sensor se reflejará en el relé externo que a su vez con sus contactos independientes conmutarán la señal requerida por el elemento de control, en nuestro caso el controlador lógico programable.. 42.

(43) Figura 2.20. Conexión Eléctrica. 2.2.4. SENSOR DE CONTRASTE Los detectores de contraste funcionan según el principio de los sensores de proximidad fotoeléctricos. En una distancia constante de la exploración, hasta 30 tonos grises, de una escala que se extiende de negro al blanco, pueden ser distinguidos. Esta característica es esencial para detectar las marcas de contraste, por ejemplo barras de color impresas. La diferencia de contraste entre la marca y el fondo es el factor principal que determina la legibilidad de una marca. La superficie del material puede ser mate o brillante, y se puede hacer sobre papel, plástico o metal. Para nuestra aplicación hemos utilizado un sensor escáner de luminiscencia marca Visolux el cual cubre un espectro de frecuencia visible grande, las varias versiones pueden detectar diferencias de contraste desde 9.5mm hasta 120mm. Transmiten luz ultravioleta que se reflejan fuera de marcas luminiscentes u objetos. El escáner evalúa las reflexiones del color del objeto y proporciona una salida o pulso de voltaje.. 43.

(44) Figura 2.21. Sensor de contraste Visolux 2.3. TRANSMISORES El primer instrumento en la línea, después del sensor de temperatura, es a menudo un instrumento que condiciona la señal. Más a menudo es un dispositivo llamado transmisor de temperatura. Los transmisores de temperatura se emplean para convertir la señal producida por el sensor en una señal eléctrica reconocible por el instrumento final. Los transmisores de temperatura son de dos tipos básicos; de cuatro cables y de dos cables. Los transmisores de 4 cables usan una entrada de alimentación que está separada de los cables que transportan la señal. Los transmisores de dos cables emplean una fuente de alimentación que alimenta al transmisor por los mismos dos cables que se usan para transmitir la señal. Ver figura 2.22.. Figura 2.22. Conexión transmisor 2 Hilos De hecho, más de un transmisor de dos cables puede ser alimentado por la misma fuente mientras el consumo de los transmisores no exceda la capacidad de la fuente. Vea figura 2.23. Los transmisores para termocupla y termorresistencias tienen ventajas sobre la transmisión directa de la señal del sensor al instrumento receptor,. 44.

(45) ya sea con cable de extensión de termocupla, en el caso de las termocuplas o cable común de cobre en el caso de las termorresistencias.. Figura 2.23. Ejemplo conexión varios transmisores. Ante todo debemos recordar que con las termocuplas estamos tratando con señales del orden de los milivoltios. Cuando estos milivoltios son transmitidos por medio de alambres de extensión de termocupla por distancias largas, son muy susceptibles a la interferencia por ruido eléctrico generado por la maquinaria cercana. Este ruido puede hacer a la señal de la termocupla inútil. Los circuitos de termocupla son también propensos a problemas con lazos de tierra, los que ocasionan lecturas erróneas. Los transmisores de termocupla convierten los pocos milivoltios de salida de una termocupla en una señal de corriente (típicamente 4-20mA CC) que es inmune al ruido y a las caídas de tensión sobre distancias muy largas. Los transmisores de termocupla aislados eliminan el problema de los lazos de tierra aislando la entrada del transmisor de la salida del mismo. Los transmisores para termorresistencia de platino (RTD) convierten la medición de resistencia en una señal de corriente y así eliminan los problemas inherentes en la 45.

(46) transmisión de señales de termorresistencia por cable que es la resistencia del cable. Los errores en los circuitos con termorresistencia (especialmente con dos y tres cables) son causados a menudo por la resistencia agregada de los cables entre el sensor y el instrumento. Ver la figura 2.23.. Figura 2.24. Esquema funcional Transmisor vs Sensor. Otro hecho que a menudo hace ventajoso el uso de transmisores en circuitos con termocuplas o termorresistencias, es el costo. Los cables de extensión de termocuplas son muy caros porque están hechos de aleaciones semejantes a la del elemento en sí mismo. Además si la distancia es larga se debe emplear un calibre grueso para disminuir la caída de voltaje dentro del espacio de montaje. Si la distancia entre el sensor y el instrumento receptor es sustancial, la diferencia en costo entre el cable especial y el alambre de cobre usado con el transmisor es significante es decir que es mas conveniente para este caso el uso de un transmisor. Lo mismo sucede con las termorresistencias, el cable de extensión es de cobre, pero se deben usar tres conductores en lugar de dos y también es necesario que sean de mayor sección para disminuir su resistencia. Otra razón para usar transmisores es que muchos instrumentos no aceptan la señal producida por termocuplas y termorresistencias en forma directa. Gran parte de la instrumentación de hoy en día consiste en sistemas basados en computadoras y en controladores de lógica programable (PLC). Estos sistemas normalmente aceptan la corriente de un transmisor sin problema.. 46.

(47) 2.3.1. TRANSMISOR DE TEMPERATURA TMT 187 Aplicación: Alternativa económica y técnica para instalación eléctrica directa a DCS o PLC. Transmisor de temperatura que convierte una señal de Pt100 en un señal de salida analógica escalable 4 a 20 mA. 2-cables de transmisión para una temperatura lineal proporcional a la salida analógica. Características y beneficios: Exactitud alta: 0.08% del span. Información de la avería en evento de interrupción del sensor o cortocircuito, habilita una intervención de mantenimiento rápida Aislamiento galvánico 2 kV (de la entrada del sensor a la salida) Periodo de estabilidad larga: <0.05% Compatibilidad electromagnética a IEC 61326 para el uso en ambientes ruidosos Totalmente la electrónica permite humedad. Tornillos prisioneros para la facilidad de conexión.. Figura 2.25. Transmisor de temperatura Pt100 TMT187 Funciones y diseño del dispositivo: El Pt100 TMT187 es un transmisor de temperatura con dos cables para transmisión con una salida analógica de 4 a 20 mA. Tiene entradas para medición de RTD tipo Pt100 en 2, 3 o 4 hilos.. 47.

(48) Conexiones eléctricas:. Figura 2.26. Asignamiento de terminales transmisor de temperatura 2.4. ACTUADORES. 2.4.1. MOTORES ELÉCTRICOS. Los motores eléctricos son máquinas utilizadas en transformar energía eléctrica en mecánica. Son utilizados en la industria, pues combinan las ventajas del uso de la energía eléctrica con una construcción relativamente simple y buena adaptación a los más diversos tipos de carga. El Motor de Inducción (AC): Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta a un estator, la corriente en las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar. Si nos referimos a su principio de funcionamiento se trata en realidad de un motor bifásico, pero por estar alimentado monofásicamente, se lo considera monofásico. Un sistema monofásico puede alimentar un motor a inducción bifásico, cuyos arrollamientos son de distinta impedancia, una vez que el motor gira puede desconectarse uno de los arrollamientos que se lo considera de arranque. Todos los artificios para hacer que este motor pueda arrancar se fundan en el principio de crear un campo rotante, por medio de un arrollamiento auxiliar (o de arranque), que produzca un flujo fuertemente desfasado en el espacio y en el tiempo respecto del principal, y que al componerse dan el campo rotante.. 48.

(49) Para producir el desplazamiento temporal entre la corriente del circuito auxiliar y la del circuito principal se pueden utilizar distintas soluciones, estas consisten en poner en serie con el devanado auxiliar una resistencia, una inductancia o bien una capacidad.. Figura 2.27. Motor de inducción AC Motores de Corriente Directa (DC): El motor de corriente continúa o directa precisa de dos circuitos eléctricos distintos: el circuito de campo magnético y el circuito de la armadura. El campo (básicamente un imán o un electroimán) permite la transformación de energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magnético. Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energía mecánica. El campo magnético actúa como una especie de catalizador que permite la transformación de energía en la armadura. La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso dispositivo denominado colector mediante el cual se recibe corriente continua desde una fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en energía mecánica que se entrega a través del eje del motor. En la transformación se pierde un pequeño porcentaje de energía en los carbones del colector, en el cobre de los bobinados, en el hierro (por corrientes parásitas e histéresis), en los rodamientos del eje y la fricción del rotor por el aire.. 49.

(50) Bomba Centrífuga: La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades. Las bombas se emplean para bombear toda clase de líquidos, (agua, aceites de lubricación, combustibles ácidos, líquidos alimenticios, cerveza, leche, etc.), Una bomba centrífuga es una máquina que consiste en un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter; o una cubierta o carcasa. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza centrífuga.. Figura 2.28. Bomba centrífuga 2.4.2 Sistemas de Calentamiento Existen varios sistemas de calentamiento para procesos industriales entre ellos tenemos el uso de vapor saturado generado por medio de calderos, agua caliente, resistencias eléctricas de gran potencia, todos utilizables de acuerdo al material que se requiere calentar. 2.4.2.1 Resistencia Eléctrica La resistencia eléctrica es la dificultad que tiene la corriente eléctrica (A) para circular por un componente resistivo, se mide en ohmios y su letra representativa es omega Ω. El factor resistivo en electrónica se aprovecha para crear caídas de tensión, controlar intensidades, modificar tiempos de carga y descarga en condensadores para variar la frecuencia en osciladores y un sin fin de utilidades.. 50.

(51) Como sistema de calentamiento la propiedad de una resistencia eléctrica se refiere a la potencia que puede disipar en forma de calor al circular una corriente eléctrica a través de ella. La resistencia de un elemento depende de su característica física. La potencia disipada por una resistencia viene dado por la siguiente fórmula:. P = VxI Donde P es la potencia dada en watt (W) V es el voltaje que alimenta la resistencia que viene dado en voltios (V) I es la corriente que la atraviesa que viene dado en Amperios (A) Al circular corriente eléctrica por una resistencia esta va a disipar determinada potencia que es la razón en el tiempo de la transferencia de energía. P=. ∆T ∆t. Donde ∆T es la variación del trabajo que es el cambio de la energía cinética y ∆t es la razón de tiempo. La unidad de potencia en el sistema SI es el J/s al cual también se le denomina watt, (W).. Figura 2.29. Resistencia eléctrica 2.4.3. VÁLVULAS SOLENOIDES. En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso de algún tipo de fluido, como gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular, las accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del proceso al ser accionadas eléctricamente. Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta. 51.

(52) corriente genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente cerrada. Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar. El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se comporta como un electroimán. Se produce una fuerza que ocasiona el desplazamiento del émbolo móvil permitiendo el cierre o apertura de la válvula. En la figura 2.30 se aprecia un esquema del fenómeno. La bobina o solenoide genera un campo magnético, de acuerdo a la Ley de Ampere: →. →. ∫ H x dl = i. Figura 2.30. Movimiento del embolo dentro de una bobina. Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o núcleo móvil, tal como se aprecia en la figura 2.31. La acción de esta fuerza de origen magnético constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de solenoide.. Figura 2.31. Campo producido por una bobina.. 52.

(53) En la figura 2.32 podemos observar una válvula de dos vías normalmente cerrada de acción directa, al no circular corriente por la bobina, la aguja asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta, permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que permiten la instalación de la válvula en posiciones no verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de gravedad. Mientras mayor sea la diferencia de presión entre la entrada y la salida del flujo, mayor tendrá que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar el orificio de la válvula, existe un límite máximo de presión diferencial. conocido como,. “Diferencial Máximo de Presión de Apertura”.. Figura 2.32. Válvula solenoide de dos vías de acción directa. 53.