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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Trabajo de titulación previo a la obtención del título de: INGENIERA E
INGENIERO ELECTRÓNICO
TEMA:
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN, CONTROL
AUTOMÁTICO DE SUMINISTRO Y LIMPIEZA EN UN TANQUE DE
LECHE PARA UN PROYECTO DE SERVICIO DE LA EMPRESA SEIUS.
AUTORA Y AUTOR:
EDITH CATHERINE CARRERA ONOFRE
DIEGO ANTONIO SARABIA TRUJILLO
TUTOR:
JUNIOR RAFAEL FIGUEROA OLMEDO
Quito, diciembre de 2015
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a Dios por todas las bendiciones que eh recibido a lo largo de mi
vida. Quién como tu Jehová tu amor es infinito, tus manifestaciones son magníficas
solo quién cree en ti y sigue de tu mano nunca esta desamparado.
A mis padres y hermanitos quienes con todo su amor han estado inculcándome valores
y ayudándome a seguir en los buenos y malos momentos; gracias por ser un pilar
fundamental en mi vida, por la paciencia, respaldo, esfuerzo, dedicación, confianza,
apoyo, superación que siempre me han ofrecido.
A mi esposo por ser un gran hombre y formar parte de mi vida, gracias por el amor, la
paciencia, los consejos, el respaldo que siempre me brindas; tan maravillada y
orgullosa estoy de dedicarte y agradecerte inmensamente todos los esfuerzos que haces
por mí. A mi pequeño hijito por su ternura y su entendimiento al respaldarme en todo
este proceso.
Los amo con todas las fuerzas de mi corazón
Edith Catherine Carrera Onofre
AGRADECIMIENTO
Agradecemos a la Universidad Politécnica Salesiana, por brindarnos conocimientos
científicos a lo largo de nuestra carrera, con la ayuda de profesionales capacitados en
diversas áreas, facilitando la culminación exitosa de nuestra carrera estudiantil.
A nuestro tutor Ing. Junior Figueroa, por aportar con todo su entusiasmo,
conocimiento y experiencia durante todo el proceso y desarrollo de éste proyecto
técnico. Para usted nuestro sincero agradecimiento.
A nuestra lectora Ing. Johana Celi, por brindarnos su ayuda para lograr la consecución
del proyecto. Nuestra consideración y agradecimiento.
Al personal docente y administrativo que marcaron cada etapa de nuestro camino
universitario.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1
CAPÍTULO 1 .............................................................................................................. 2
1.1 Planteamiento del problema .................................................................................... 2
1.2 Justificación ............................................................................................................ 3
1.3 Objetivos................................................................................................................. 3
1.3.1 Objetivo general ................................................................................................... 3
1.3.2 Objetivo específicos ............................................................................................. 3
CAPÍTULO 2 .............................................................................................................. 5
DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS ........................................ 5
2.1 Diagramas esquemáticos del proceso y equipos ....................................................... 5
2.2 Elementos neumáticos y electro-neumáticos ............................................................ 7
2.2.1 Unidad de mantenimiento FRC Serie D ................................................................ 8
2.2.2 Válvula de mariposa ............................................................................................. 9
2.2.3 Válvula de asiento .............................................................................................. 10
2.2.4 Electroválvula MFH ........................................................................................... 11
2.2.5 Perfil distribuidor ............................................................................................... 12
2.3 Sensor ultrasónico UM30-215113 ......................................................................... 13
2.4 Autómata programable y módulos de expansión .................................................... 14
2.4.1 PLC Twido TWDLMDA20DRT ........................................................................ 14
2.4.2 Módulo de expansión analógico TWDAMI2HT ................................................. 16
2.5 Pantalla táctil ........................................................................................................ 17
2.5.1 Magelis XBTGT2330 ......................................................................................... 17
2.6 Dispositivos electrónicos de control ...................................................................... 18
2.6.2 Guarda motor LRD16. ........................................................................................ 19
2.7 Elementos auxiliares ............................................................................................. 20
2.7.1 Contactor LC1D12M7 ........................................................................................ 20
2.7.2 Relé auxiliar RXM4AB1BD............................................................................... 21
2.7.3 Selector XB4BD33............................................................................................. 22
2.7.4 Luz piloto XB4BVM3 ........................................................................................ 23
2.7.5 Pulsador de marcha y paro rectangular XB4BL73415......................................... 24
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................ 25
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN ............................................................... 25
3.1 Diseño del sistema de control ................................................................................ 25
3.2 Diagramas de conexión ......................................................................................... 26
3.2.1 Diagramas eléctricos .......................................................................................... 27
3.2.1.1 Diagrama de alimentación ............................................................................... 27
3.3 Montaje de equipos ............................................................................................... 31
3.3.1 Tablero de control .............................................................................................. 31
3.3.2 Tablero de electroválvulas .................................................................................. 33
3.4 Flujogramas del proceso ........................................................................................ 33
3.5 Diseño del HMI .................................................................................................... 36
3.6 Configuración del sensor de nivel.......................................................................... 41
3.6.1 Calibración de la señal analógica ........................................................................ 41
3.6.2 Escalamiento de la señal analógica ..................................................................... 42
3.7 Configuración de la red Modbus ........................................................................... 50
3.7.1 Configuración de los parámetros Modbus en el PLC .......................................... 50
3.7.2 Configuración de los parámetros Modbus en la pantalla táctil magelis ................ 51
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................ 52
PRUEBAS Y RESULTADOS................................................................................... 52
4.1 Pruebas y resultados de la medición del nivel leche .............................................. 52
4.1.1 Pruebas de la señal analógica.............................................................................. 52
4.1.2 Mediciones obtenidas en el campo ..................................................................... 54
4.1.3 Margen de error de los datos obtenidos............................................................... 56
CONCLUSIONES .................................................................................................... 58
RECOMENDACIONES ........................................................................................... 60
LISTA DE REFERENCIAS ..................................................................................... 61
ANEXOS ................................................................................................................... 62
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama esquemático ................................................................................. 5
Figura 2: Estructura metálica de los tanques ................................................................ 7
Figura 3: Unidad de mantenimiento ............................................................................ 8
Figura 4: Válvula mariposa ......................................................................................... 9
Figura 5: Válvula de asiento ...................................................................................... 10
Figura 6: Electroválvula ............................................................................................ 11
Figura 7: Perfil distribuidor ....................................................................................... 12
Figura 8: Sensor ultrasónico ...................................................................................... 13
Figura 9: PLC Twido ................................................................................................ 15
Figura 10: Módulo analógico .................................................................................... 16
Figura 11: Pantalla táctil ........................................................................................... 17
Figura 12: Variador de frecuencia ............................................................................. 19
Figura 13: Guarda motor ........................................................................................... 20
Figura 14: Contactor ................................................................................................. 21
Figura 15: Relé ......................................................................................................... 22
Figura 16: Selector .................................................................................................... 22
Figura 17: Luces ....................................................................................................... 23
Figura 18: Pulsador marcha/paro ............................................................................... 24
Figura 19: Diagrama de componentes del sistema ..................................................... 25
Figura 20: Simbología eléctrica ................................................................................. 27
Figura 21: Circuito de alimentación del PLC y pantalla táctil magelis ....................... 28
Figura 22: Diagrama de salidas digitales de las electroválvulas ................................. 29
Figura 23: Diagrama entrada digital .......................................................................... 29
Figura 24: Circuito de potencia ................................................................................. 30
Figura 25: Esquema neumático ................................................................................. 31
Figura 26: Distribución de los equipos en el tablero de control .................................. 32
Figura 27: Ubicación magelis .................................................................................... 32
Figura 28: Distribución de equipos en el tablero de electroválvulas ........................... 33
Figura 29: Diagrama de flujo de control del sistema .................................................. 34
Figura 30: Subrutina de arranque automático ............................................................ 34
Figura 31: Subrutina de arranque manual .................................................................. 35
Figura 32: Pantalla de presentación magelis .............................................................. 36
Figura 33: Panel ciclo de lavado................................................................................ 37
Figura 34: Ciclo de lavado ........................................................................................ 37
Figura 35: Tiempos de lavado ................................................................................... 38
Figura 36: Panel de procesos ..................................................................................... 39
Figura 37: Proceso tanque L6 .................................................................................... 39
Figura 38: Proceso tanque L4 .................................................................................... 40
Figura 39: Calibración sensor ultrasónico .................................................................. 40
Figura 40: Panel de mantenimiento ........................................................................... 41
Figura 41: Gráfica lineal Litros vs Corriente ............................................................. 43
Figura 42: Gráfica lineal Corriente vs Word .............................................................. 46
Figura 43: Gráfica lineal Litros vs Word ................................................................... 47
Figura 44: Procesamiento de la señal analógica ......................................................... 48
Figura 45: Escalamiento de la señal .......................................................................... 49
Figura 46: Configuración red Modbus ....................................................................... 50
Figura 47: Configuración PLC .................................................................................. 50
Figura 48: Configuración pantalla táctil .................................................................... 51
Figura 49: Linealización Distancia vs Corriente ........................................................ 54
Figura 50: Pruebas de calibración.............................................................................. 55
Figura 51: Porcentaje de error ................................................................................... 57
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Caracterización unidad de mantenimiento ..................................................... 9
Tabla 2: Caracterización válvula de mariposa festo ................................................... 10
Tabla 3: Caracterización válvula de asiento festo ...................................................... 11
Tabla 4: Caracterización electro-válvula MFH de festo ............................................. 12
Tabla 5: Caracterización perfil distribuidor de festo .................................................. 13
Tabla 6: Caracterización sensor ultrasónico ............................................................... 14
Tabla 7: Caracterización PLC Twido TwdLDMA20DRT.......................................... 15
Tabla 8: Caracterización Módulo de expansión TWDAMI2HT ................................. 16
Tabla 9: Caracterización magelis XBTGT230 ........................................................... 18
Tabla 10: Caracterización variador de frecuencia ATV61HD22N4 ........................... 19
Tabla 11: Caracterización guarda motor LRD16 ....................................................... 20
Tabla 12: Caracterización contactor LC1D12M7 ...................................................... 21
Tabla 13: Caracterización relé auxiliar RXM4AB1BD .............................................. 22
Tabla 14: Caracterización selector XB4BD33 ........................................................... 23
Tabla 15: Caracterización luces piloto XB4BVM3 .................................................... 23
Tabla 16: Caracterización pulsador XB4BL73415..................................................... 24
Tabla 17: Obtención de datos esperados .................................................................... 49
Tabla 18: Mediciones ideales .................................................................................... 53
Tabla 19: Mediciones obtenidas en el campo ............................................................ 55
Tabla 20: Cálculo del porcentaje ............................................................................... 56
RESUMEN
El presente proyecto es un servicio que brinda la empresa SEIUS S. A. quienes
financiaron en su totalidad los equipos para el desarrollo del mismo, el cual tiene por
objeto la implementación de un sistema automático de lavado de los tanques de
almacenamiento de leche y el montaje de un sistema de supervisión del contenido de
leche en uno de los tanques.
Para esto se utilizó equipos de control neumáticos entre estos 6 electroválvulas para el
control de los actuadores (3 válvulas mariposa para el lavado del interior del tanque y
3 válvulas de asiento para lavar las tuberías), además cuenta con un autómata
programable PLC que conectado en comunicación Modbus con una pantalla táctil
(Magelis) sirve para el accionamiento de los actuadores del sistema; la pantalla táctil
tiene la función de controlar todo el sistema de lavado y configurar los tiempos para
ejecutar el proceso tanto en automático como en manual, además de visualizar el
contenido de leche en uno de los tanques, para lo cual se utilizó un sensor ultrasónico
con la linealización de su señal analógica de 4 a 20mA y se logró obtener la relación
de su señal de corriente.
Se diseña un HMI para realizar el control y monitoreo del sistema, así como para
guardar datos históricos para que el operador tenga acceso al mismo. Se procura
conseguir con dicha HMI que las personas que trabajan optimicen tiempo en los
procesos y se tenga un funcionamiento correcto.
ABSTRACT
This project is a service by the company Seius S.A. who financed in full equipment for
its development, which aims to implement an automated system washing the milk
storage tank and installation of a monitoring of the content of one of the milk tanks.
For this equipment pneumatic control was used between these 6 solenoid valves for
controlling the actuators (3 butterfly valves for washing the inside of the tank and 3
poppet valves to flush the lines), also, it has a programmable controller PLC connected
in Modbus communication with a touch screen (Magelis) serves for driving the
actuators of the system; the Magelis touch screen has the function of controlling the
entire washing system and set the times to run the process in both automatic and
manual as well as view the content of milk in one of the tanks, for which an ultrasonic
sensor was used the linearization of the analog signal of 4-20mA and was able to
obtain the ratio of its current signal.
The HMI is designed for controlling and monitoring system such as to keep historical
data for the operator to have access to it. It seeks to achieve with this HMI in which
people optimize working time in the processes and proper operation will have.
1
INTRODUCCIÓN
En la actualidad el desarrollo de la tecnología ha hecho posible el monitoreo y
control de procesos, facilitando su manejo y optimizando tiempo.
El desarrollo del trabajo se distribuyó de la siguiente manera:
En el primer capítulo se presenta la estructura del proyecto en general, dando a
conocer el planteamiento del problema, los objetivos, la justificación y descripción
del proyecto planteado.
En el segundo capítulo se describen las generalidades del proyecto, fundamentos
teóricos importantes para el desarrollo del proyecto técnico. Así mismo se dará a
conocer las características de los equipos utilizados que son de utilidad dentro del
proceso.
El capítulo tres contiene el desarrollo e implementación del proyecto planteado,
presenta la explicación del algoritmo de control que se diseñó para el PLC. Además
se muestra las pantallas del HMI para cada proceso, con sus diferentes funciones.
Finalmente en el capítulo cuatro se muestran las pruebas y resultados del
funcionamiento del proyecto junto con los porcentajes de error, así como las
conclusiones y recomendaciones que se generó en el transcurso de su elaboración.
2
CAPÍTULO 1
1.1 Planteamiento del problema
El proceso de mantenimiento y limpieza en los tanques de distribución de leche,
presenta la siguiente problemática:
Debido al incremento en la producción y la inexistencia de un lugar de
almacenamiento de materia prima, ha visto en la necesidad de implementar un nuevo
tanque de almacenamiento y suministro de leche, el cual incorpore un sistema de
monitoreo de nivel y lavado automático que permita controlar los procesos en el
interior de los tanques y la tubería de suministro para evitar el desperdicio de
material.
Adicional a este proceso se añadirá un sistema de supervisión de nivel de leche; es
por esta razón que para la implementación de este proyecto se solicitará los servicios
de la empresa SEIUS S.A. quienes han brindado mantenimiento por más de 5 años.
Este proceso permitirá el aumento en la producción, disminución del tiempo de
respuesta a la demanda y reducción de costos obteniendo eficiencia en el trabajo,
generando beneficios y precisión.
¿En que beneficia la instalación del sistema de lavado automático a la Empresa con
respecto a su producción?
El sistema de lavado automático propuesto en este proyecto no solo beneficia
económicamente a la Empresa, reduciendo el gasto excesivo de químicos y agua para
el lavado de los tanques de almacenamiento de leche y el tiempo que lleva hacer este
trabajo; también beneficia al medio ambiente porque al contar con un sistema
automático de lavado no existe desperdicio innecesario de agua.
Además lo que se espera con el proceso automático de lavado es reducir los costos en
el consumo de energía eléctrica producido por el tiempo que están encendidas las
bombas del sistema.
3
El desarrollo de planos, documentación, diseño y programación del control del
sistema de lavado y monitoreo del nivel de leche se llevará a cabo en la Empresa
SEIUS S.A.
1.2 Justificación
La Empresa encargada de la producción de lácteos, en los últimos tiempos ha
incrementado sus niveles de venta, por lo cual se ha visto en la necesidad de
implementar un nuevo tanque de almacenamiento de leche e instalar un sistema
automático de lavado y supervisión del contenido debido a que cuentan con un
mecanismo de medición obsoleto e inexacto. En este contexto recurre a la Empresa
SEIUS S.A. para ejercer el trabajo de control.
El presente proyecto tiene la finalidad de implementar un sistema automático de
lavado y monitoreo para los tres tanques de almacenamiento de leche y supervisión
del nivel para el nuevo tanque, de esta forma cumplir con las necesidades que tiene el
cliente; tanto en la reducción de costos de insumos de lavado y tiempo del operador.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Desarrollar un sistema de supervisión, control automático de suministro y limpieza
en un tanque de leche para un proyecto de servicio de la empresa SEIUS.
1.3.2 Objetivo específicos
Dimensionar los equipos tanto hardware y software que se emplearán para el
proceso de control y monitoreo.
Diseñar los diagramas de conexiones eléctricos, electrónicos y neumáticos
para generar los planos e informes del proyecto.
4
Desarrollar la automatización del proceso de llenado y limpieza mediante la
configuración y programación de los equipos que intervienen en el sistema de
control.
Implementar un HMI mediante la programación de una pantalla táctil
Magelis que permita al usuario configurar los tiempos y ciclos de lavado
como también visualizar el nivel de leche en el nuevo tanque.
Realizar las pruebas de funcionamiento, para verificar que el proceso trabaje
según las especificaciones solicitadas.
5
CAPÍTULO 2
DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS
En el presente capítulo se detalla las características principales de los equipos
utilizados para la implementación y automatización del proceso, así como los
elementos complementarios que intervienen en la elaboración del proyecto.
2.1 Diagramas esquemáticos del proceso y equipos
Figura 1: Diagrama esquemático
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Como se muestra en el diagrama esquemático Figura 1 se tendrá un sensor
ultrasónico ubicado en el tanque L4 para la medición del nivel de leche el cual envía
una señal analógica de 4 a 20mA hacia el controlador (PLC), este se encarga de
procesar la señal para luego ser visualizada en la pantalla táctil magelis.
Adicionalmente se contará con un selector (unidad de mando) para posicionar al
sistema en control automático o manual; de esta forma el operador puede activar la
6
bomba para el control de lavado manualmente o realizar el lavado automático
permitiendo que el PLC sea el único que active la bomba.
En el tablero de control se realizará la conexión de una red Modbus entre la pantalla
táctil y el PLC para el control automático del lavado de los tanques y la visualización
del nivel de leche en el tanque L4. Desde la pantalla táctil Magelis se pueden realizar
las configuraciones de los tiempos de lavado automático y la activación de las
electroválvulas manualmente.
Además, se encuentran los pre-actuadores entre estos están los relés de activación
eléctrica y mando eléctrico; las electroválvulas de activación eléctrica y mando
neumático y el variador de frecuencia para el arranque suave de la bomba de succión
de material de lavado.
Las salidas del PLC se encuentran programadas para activar temporalmente a los
relés que comandan cada una de las electroválvulas pertenecientes a los actuadores;
se tendrán seis salidas tipo relé y una tipo transistor que funcionan con voltaje DC
la cuál es utilizada para activar el relé que comanda el pulso de arranque del variador
de velocidad de la bomba.
Por último se puede observar los actuadores que son los que finalmente realizan las
acciones del proceso automático, entre estas están las válvulas de asiento y válvulas
de mariposa las cuales se encargan de lavar la tubería y el interior del tanque
respectivamente, en tiempos alternados configurables; y la bomba de capacidad de
7.5 HP para succionar el agua y material de lavado tanto de los tanques como de la
tubería y enviarla a la planta de tratamiento de agua.
Visualización de la planta.
En la Figura 2 se puede observar de manera real la posición de los tanques que se van
a automatizar realizando todos los estudios tanto en hardware y software para tener el
funcionamiento e implementación adecuado del control y monitoreo del mismo.
7
Figura 2: Estructura metálica de los tanques
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.2 Elementos neumáticos y electro-neumáticos
Son sistemas que utilizan el aire comprimido como medio para la transmisión de
señales, necesarias para hacer mover y funcionar mecanismos automatizados.
Debido a que el sistema necesita de actuadores de gran velocidad para el proceso
cíclico de lavado se utilizará equipos electro-neumáticos cuyas características
cumplen con estos requisitos; en comparación con un sistema hidráulico con el que
químicamente se ganaría fuerza y no velocidad.
Dentro de los elementos neumáticos y electro neumáticos es importante reconocer la
cadena de mando a cumplir para elaborar un correcto esquema de conexiones, por tal
motivo con las exigencias del presente proyecto se trabajará con la marca Festo que
es uno de los mejores proveedores dentro de esta rama.
8
A continuación se muestran la lista de selección de los equipos neumáticos y electro-
neumáticos de la marca Festo:
Unidad de Mantenimiento FRC Serie D.
Válvula de Mariposa.
Válvula de Asiento.
Electro-válvula MFH.
Perfil distribuidor.
2.2.1 Unidad de mantenimiento FRC Serie D
Se utilizará una unidad de mantenimiento Figura 3 de 1-16 bares puesto esta que es
la presión máxima de aire comprimido que requieren las válvulas para su
funcionamiento. Esta será instalada en la parte posterior del tablero electro-
neumático y servirá para regular el caudal del aire comprimido que viene desde el
compresor hasta el perfil de distribución.
Figura 3: Unidad de mantenimiento
Fuente: Festo
En la tabla 1, se describen las características técnicas de la unidad de mantenimiento
FRC Serie D de Festo la misma que sirve para regular el caudal de aire.
9
Tabla 1: Caracterización unidad de mantenimiento
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.2.2 Válvula de mariposa
Se instalará una válvula mariposa Figura 4 en la parte superior de los tanques L4, L5,
L6 para abrir y cerrar el paso del material de lavado hacia el interior del tanque; este
tipo de válvula tiene la ventaja que bloquea el ingreso de agua al interior del tanque
debido a que es normalmente cerrada, es decir, no necesita presión de aire para
mantenerla cerrada.
Figura 4: Válvula mariposa
Fuente: Festo
En la tabla 2 se describen las características técnicas de la válvula de mariposa.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Unidad de mantenimiento
Serie o Número de equipo FRC serie D
Marca FESTO
Cantidad 1
Clase de pureza del aire en la salida Aire comprimido con grado de filtración 5um
Caudal 80 a 8700 1/min
Presión de Funcionamiento 1 a 16 bar
Temperatura 10 a 60˚C
Indicador de la presión Por manómetro
10
Figura 5: Válvula de asiento
Fuente: Festo
Tabla 2: Caracterización válvula de mariposa festo
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.2.3 Válvula de asiento
Esta válvula se situará en la parte superior de la tubería y permitirá el ingreso del
material de lavado hacia los tanques L4, L5, L6 con la finalidad de realizar el lavado
de la tubería de distribución de leche.
La válvula de asiento Figura 5 se encuentra inicialmente abierta de tal forma que
permita el desfogue del agua sin la necesidad de alguna activación neumática, es por
ello que se cuenta con un mecanismo seguro contra la presión de agua.
En la tabla 3, se describen las características técnicas de la válvula de asiento,
ubicadas en la tubería para permitir el lavado de la misma.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Válvula mariposa
Serie o Número de equipo VZSA
Marca FESTO
Cantidad 3
Tipo de efecto Simple efecto
Estado Inicial Normalmente cerrada
Presión de funcionamiento 10 bar
Material Acero inoxidable
11
Tabla 3: Caracterización válvula de asiento festo
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.2.4 Electroválvula MFH
Se empleará seis electroválvulas 3/2 (3 vías, 2 posiciones)como se muestra en la
Figura 6 para la activación de las válvulas de mariposa y asiento en el control de
lavado de los tanques; debido a que estas válvulas son de simple efecto, es decir,
tienen una sola entrada de aire y su retorno es mecánico.
Las electroválvulas se ubicarán en el interior del tablero neumático cerca de la
unidad de mantenimiento.
Figura 6: Electroválvula
Fuente: Festo
En la tabla 4, se describen las características técnicas de las electroválvulas las
mismas que se utilizan para el control de los actuadores (válvula mariposa y válvula
asiento).
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Válvula de asiento
Serie o Número de equipo VZXF
Marca FESTO
Cantidad 3
Tipo de efecto Simple efecto
Estado Inicial Normalmente abierta
Presión de funcionamiento 10 bar
Material Acero inoxidable
12
Tabla 4: Caracterización electro-válvula MFH de festo
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.2.5 Perfil distribuidor
Se usará un perfil distribuidor Figura 7 para la alimentación de aire comprimido al
punto común de las electroválvulas (ingreso del aire).
Este se ubicará en el tablero y permitirá el montaje de las electroválvulas.
Figura 7: Perfil distribuidor
Fuente: Festo
En la tabla 5, se describen las características técnicas del perfil distribuidor, utilizado
para conectar las electroválvulas a la alimentación de aire.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Electroválvula
Serie o Número de equipo MFH
Marca FESTO
Cantidad 6
Vías/Posiciones 3/2.
Caudal 500 a 700 1/min
Tipo de accionamiento Eléctrico
Tensión de funcionamiento de la bobina 110V
Forma de reposición Muelle mecánico
Tipo de montaje Servopilotaje
13
Tabla 5: Caracterización perfil distribuidor de festo
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.3 Sensor ultrasónico UM30-215113
El control de nivel de leche se lo realizará mediante el sensor UM30-215113 de la
marca Sick como se muestra en la Figura 8 el mismo que tiene la característica de ser
parametrizado y configurado mediante un display la señal analógica de 4 a 20mA de
una forma rápida y flexible, además es capaz de captar de forma fiable los objetos
como también de determinar de forma sumamente exacta las distancias, es resistente
al polvo, la suciedad y la niebla.
Además es de fácil integración gracias a su forma compacta, los resultados de
medición son fiables gracias a la eliminación de influencias mediante los modos de
sincronización. Se encontrará en la cubierta superior del tanque L4.
Figura 8: Sensor ultrasónico
Fuente: Sick
En la tabla 6, se describen las características técnicas del sensor ultrasónico, el
mismo que sirve para obtener el nivel de leche que contiene el nuevo tanque.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Perfil distribuidor
Serie o Número de equipo PAL
Marca FESTO
Cantidad 2
Material Aluminio anodizado
Información adicional Escuadra de fijación de acero cincado
14
Tabla 6: Caracterización sensor ultrasónico
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.4 Autómata programable y módulos de expansión
Para las exigencias del proyecto elegir el autómata programable es uno de los pasos
fundamentales ya que se debe tomar en cuenta muchos aspectos para evitar un
exceso de prestaciones o que se tenga funcionalidades que no sean necesarias.
En el proyecto que se va a automatizar, se ha decidido trabajar con un PLC TWIDO
de fabricante Schneider Electric, el cual brinda las facilidades de elegir cuántas
entradas y salidas (E/S) se van a necesitar, facilita la comunicación mediante
Ethernet y brinda la capacidad adecuada en programación y memoria.
2.4.1 PLC Twido TWDLMDA20DRT
El PLC TWIDO TwdlMDA20DRT, es de tipo modular con variedad de opciones,
con capacidad de expansión de 7 módulos de E/S, un software de programación y
comunicación Modbus simple, que permite crear una interfaz RS-485 para tener un
enlace eficaz con una pantalla táctil magelis.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Sensor Ultrasónico
Serie o Número de equipo UM30-2
Marca SICK
Cantidad 1
Voltaje de alimentación 9 a 30 VDC
Corriente de consumo <80mA
Temperatura ambiente En operación de -25 a 70˚C
Material Latón niquelado
Tipo de conector M12, 5 pines
Incluye Display para calibración y configuración
Tipo de señal Analógica
Señal 4 a 20 mA; 0-10V
Rango de distancia 600 a 6000 mm
Máximo Rango de distancia 8000 mm
Peso 270g
Histéresis 100 mm
Frecuencia ultrasonica 80 KHz
Tiempo de respuesta 240 ms
Grado de protección IP67
15
Figura 9: PLC Twido
Fuente: Schneider-Electric
La Figura 9 se muestra físicamente el PLC TWIDO TWDLMDA20DRT que es el
encargado de controlar el proceso, y se encuentra ubicado en la parte interna del
tablero de control.
La tabla 7 describe las características técnicas del PLC Twido TwdLMDA20DRT.
Tabla 7: Caracterización PLC Twido TwdLDMA20DRT
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Parámetro Descripción
Serie o Número de equipo TWDLMDA20DRT
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 1
Número de I/O Discretas 20
Número de Entradas discretas 12
Voltaje de entrada discreta 24 V
Tipo de Voltaje DC
Número de módulos expandibles 7.
voltaje de alimentación 24 VDC
16
2.4.2 Módulo de expansión analógico TWDAMI2HT
A este controlador se le añadirá un módulo de expansión analógico TWDAMI2HT
Figura 10 el cual posee dos entradas de alto nivel de 12 de bits configurables de 0 a
10 Vdc o de 4 a 20 mA; este módulo es el encargado de recibir los datos en una de
las entradas conectadas al sensor ultrasónico, de esta forma se puede escalar la señal
y presentarla en la pantalla táctil. Se colocará dentro del tablero de control, junto al
PLC.
Figura 10: Módulo analógico
Fuente: Schneider-Electric
La Tabla 8, indica la corriente, voltaje y parámetros con los que trabaja el módulo de
expansión.
Tabla 8: Caracterización Módulo de expansión TWDAMI2HT
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Módulo de expansión Analógico
Serie o Número de equipo TWDAMI2HT
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 1
Tipo de entrada analóga Corriente 4 a 20 mA diferencial
Tensión nominal de voltaje 24 VDC
17
2.5 Pantalla táctil
Existen diversas tecnologías para implementar los sistemas táctiles, cada una basada
en diferentes fenómenos y con distintas aplicaciones. Schneider-Electric brinda
dentro de su mercado pantallas que pueden ser aplicadas en la automatización y que
son fiables y versátiles.
Todos los tipos de paneles Magelis de Schneider-Electric ofrecen la misma
funcionalidad, independientemente del tamaño de la pantalla además son aptos para
la comunicación con diferentes controladores.
2.5.1 Magelis XBTGT2330
Este tipo de paneles HMI de alta funcionalidad, posee una pantalla de alta
visibilidad, contraste, brillo ajustable y hasta una configuración de 40 tipos de letras;
esto amplía las posibilidades de implementar imágenes detalladas del proceso.
El panel Magelis XBTGT2330 Figura 11 permitirá una conexión mediante Ethernet
para visualizar los diferentes datos que se obtengan del PLC.
Figura 11: Pantalla táctil
Fuente: Schneider-Electric
18
La pantalla táctil Magelis XBTGT2330 permite el ingreso y visualización de datos
para el proceso de control de lavado automático tales como pulsos de marcha y paro
para encender y apagar las bombas, visualización del nivel de leche, configuración
de tiempos y visualizar salidas del PLC activadas. Se colocará en la puerta interna
del tablero de control.
En la tabla 9, se describen las características técnicas de la Magelis.
Tabla 9: Caracterización magelis XBTGT230
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.6 Dispositivos electrónicos de control
Los dispositivos electrónicos de control que se enlista a continuación son de la marca
Schneider Electric:
Variador de Frecuencia Altivar ATV61HD22N4
Guarda Motor LRD16
2.6.1 Variador de frecuencia Altivar ATV61HD22N4
El Variador de frecuencia ATV61HD22N4 Figura 12 permite variar la velocidad del
motor acoplado a la bomba y realizar un arranque suave. Se seleccionó este variador
puesto que es de alta potencia y fuerza; además esta clase de variadores son
Parámetro Descripción
Serie o Número de equipo XBTGT2330
Marca SICK
Cantidad 1
Tamaño 5.7"
Pixeles 320 x 240
Tipo TFT
Voltaje de alimentación 24 VDC
Procesador de frecuencia 133 MHz
Corriente de entrada <=30 A
Memoria interna 16 MB
Consumo de energía 26 W
19
específicamente destinados al control de motores eléctricos, para tener un mejor
control y desempeño de la bomba. Se encontrará dentro de los tableros de fuerza.
Figura 12: Variador de frecuencia
Fuente: Schneider-Electric
En la tabla 10, se describen las características técnicas del variador de frecuencia
ATV61HD22N4.
Tabla 10: Caracterización variador de frecuencia ATV61HD22N4
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.6.2 Guarda motor LRD16.
Este guarda motor LRD16 Figura 13 sirve como protección termo magnético
utilizado tanto en el arranque suave como en el arranque directo del motor. Este se
ubicará en los tableros de fuerza.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Variador de frecuencia
Serie o Número de equipo ATV61HD22N4
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 1
Número de fases 3 fases
Tensión nominal de alimentación 380 a 480 V
Potencia del motor KW 22 KW 3 fases 380..480V
Corriente de línea 42 A 480V 3 fases 22 KW 30 hp
Frecuencia de alimentación 50 a 60 Hz
20
Figura 13: Guarda motor
Fuente: Schneider-Electric
En la tabla 11, se describen las características técnicas del guarda motor LRD16.
Tabla 11: Caracterización guarda motor LRD16
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.7 Elementos Auxiliares
Para la construcción del sistema y tablero de control se ha utilizado como elementos
auxiliares:
2.7.1 Contactor LC1D12M7
En la Figura 14 se tiene un tipo de contactor que es muy utilizado en el campo
industrial ya que cuenta con una corriente de hasta 12A y con una tensión nominal de
hasta 660V y en caso de sobrecarga tiene un arranque electromagnético con relé
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Guarda motor
Serie o Número de equipo LRD16
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 2
Número de fases 3 fases
Rango de empleo de voltaje 690 V
Corriente permisible 3 A 120 VAC
Ajuste de la protección térmica 9 a 13 A
Frecuencia ultrasónica 80 KHz
Tiempo de respuesta 240 ms
Grado de protección IP67
21
térmico; además es utilizado para el arranque directo de la bomba de 5.5 KW de
suministro para el nuevo tanque. Este se situará dentro de los tableros de fuerza.
Figura 14: Contactor
Fuente: Schneider-Electric
En la tabla 12, se describen las características técnicas del Contactor LCD1D12M7.
Tabla 12: Caracterización contactor LC1D12M7
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.7.2 Relé auxiliar RXM4AB1BD
Se utilizarán 7 relés como pre-actuadores para el control de las electroválvulas y el
pulso del arranque del variador de frecuencia a partir de las señales de activación del
PLC. Se ubicarán dentro del tablero de control. En la Figura 15 se muestra el relé
auxiliar.
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Contactor
Serie o Número de equipo LC1D12M7
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 1
Rango de empleo de voltaje <=690V Ac 25…400 Hz para circuito de potencia
Rango de empleo de corriente 12 A( <=60˚C) a <=440 V Ac para circuito de potencia
Potencia del motor 5,5 KW 425…440V AC 50/60 Hz
22
Figura 15: Relé
Fuente: Schneider-Electric
En la tabla 13, se describen las características técnicas del relé RXM4AB1BD.
Tabla 13: Caracterización relé auxiliar RXM4AB1BD
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.7.3 Selector XB4BD33
En la Figura 16 se muestra un interruptor el cual es utilizado en aplicaciones
industriales ya que es un elemento de mando que trabaja en condiciones de
automático o manual, es decir, es el que impone la condición de trabajo del sistema,
por esta razón tiene mucha importancia al momento de acoplarlo al proceso. Se
localizará en la parte frontal del tablero de control.
Figura 16: Selector
Fuente: Schneider-Electric
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Relé Auxiliar
Serie o Número de equipo RXM4AB1BD
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 7
Tensión del Circuito de control 24 Vcc
Corriente térmica 6A
23
En la tabla 14, se describen las características técnicas del selector XB4BD33.
Tabla 14: Caracterización selector XB4BD33
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
2.7.4 Luz piloto XB4BVM3
Las luces piloto cumplen un papel muy importante en el desenvolvimiento de este
proyecto debido a que su función es la de indicar que la bomba se encuentra en
marcha. Este se ubicará en la parte frontal del tablero de control. La Figura 17
muestra la luz piloto.
Figura 17: Luces
Fuente: Schneider-Electric
En la tabla 15, se describen las características técnicas de la luz piloto XB4BVM3.
Tabla 15: Caracterización luces piloto XB4BVM3
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Selector
Serie o Número de equipo XBA4BD33
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 1
Posiciones de operador 3 Posiciones +/- 45
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Luces Piloto
Serie o Número de equipo XB4BVM3
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 2
Voltaje de alimentación nominal 230…240 V AC, 50/60 Hz
Tensión nominal de aislamiento 250 V
Consumo de corriente 14 mA
24
2.7.5 Pulsador de marcha y paro rectangular XB4BL73415
El Pulsador XB4BL73415 se utilizará para el proceso de marcha y paro en el
arranque directo de la bomba de 5.5KW. Se situará en la parte frontal del tablero de
control. La Figura 18 muestra el pulsador.
Figura 18: Pulsador marcha/paro
Fuente: Schneider-Electric
En la tabla 16, se describen las características técnicas del pulsador XB4BL73415.
Tabla 16: Caracterización pulsador XB4BL73415
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Parámetro Descripción
Nombre Técnico Pulsador de marcha y paro rectangular
Serie o Número de equipo XB4BL73415
Marca Scheneider-Electric
Cantidad 1
Voltaje de alimentación nominal 230…240 V AC, 50/60 Hz
Tensión nominal de aislamiento 600 V
Rango de corriente asignada 1,2 A 600 V
25
CAPÍTULO 3
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
El presente capítulo detalla el desarrollo técnico e implementación del proyecto
planteado.
3.1 Diseño del sistema de control
Para explicar el proceso con el que se realizó el control automático y manual de
lavado, así como la medición del nivel del sensor ultrasónico se tuvo en cuenta las
siguientes consideraciones:
El sensor ultrasónico solo medirá el nivel de líquido del tanque L4.
La válvula mariposa estará conectada al sprayball (rociador de 360˚ ideal para
el lavado de tanques) que será quien lave el tanque desde la parte superior.
La válvula de asiento permitirá el lavado de las líneas.
La bomba CIP extraerá el líquido de cada tanque.
Figura 19: Diagrama de componentes del sistema Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Los componentes a utilizarse para el desarrollo del presente proyecto y el diagrama
de interconexión son mostrados en la Figura 19
26
Control automático de lavado:
El control funcionará de la siguiente manera al iniciar el proceso de lavado:
Se activará la válvula mariposa y la bomba CIP que permitirá lavar el tanque
desde la parte superior.
Al finalizar el tiempo de activación de la válvula mariposa se activará la
válvula de asiento y desactivará la bomba CIP, de esta manera, al quedar solo
activada la válvula de asiento se podrá lavar las líneas sin perder presión en
estas.
Control manual de lavado:
El operador selecciona el tanque que desea lavar y activa las válvulas
mariposa o válvula de asiento dependiendo de la función que desee realizar y
a su vez selecciona un tiempo de lavado indistintamente de los programados,
es decir, el operador activa y desactiva una válvula para luego activar la otra
en el tiempo que el estime necesario.
3.2 Diagramas de conexión
Para la elaboración de los diagramas de conexión se tomó como referencia la
siguiente nomenclatura de símbolos eléctricos mostrados en la Figura 20
27
Figura 20: Simbología eléctrica Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
3.2.1 Diagramas eléctricos
3.2.1.1 Diagrama de alimentación
Para la alimentación de los dispositivos de control, se cuenta con un voltaje de 220V
AC cuyas líneas van conectadas a un breaker de 2 posiciones con accionamiento
manual (B1) para evitar sobre voltajes, luego se coloca una fuente de voltaje (G1) la
cual nos proveerá de un voltaje de 24 VDC, ya que esta es la alimentación adecuada
para el PLC, el módulo de expansión analógico, la pantalla táctil y el sensor
ultrasónico.
28
Para una mejor y segura protección de los equipos se colocó un breaker de una
posición con accionamiento manual (B2) que irá conectado en el cable de voltaje de
24VDC. Como se indica en la Figura 21, como requerimientos adicionales se instaló
un fusible (F1) para protección directa del sensor ultrasónico, conjuntamente se
realizó, las conexiones de la red Modbus y el envío de la señal del sensor al PLC.
Figura 21: Circuito de alimentación del PLC y pantalla táctil magelis Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
3.2.1.2 Diagrama de control
En la Figura 22 se observa el diagrama de control de las salidas digitales del PLC
(Q0.2,Q0.3…Q0.7) que son salidas de tipo relé, estos se encargarán de activar o
desactivar las bobinas delos relés (K2,K3…K7) que funcionan a 220Vcon fases de
línea F1 y F2 y que tendrán como función activar o desactivar los contactores que
manejan a los pre-actuadores (Y1,Y2…Y6), y estos a su vez enviarán una señal para
activar las válvulas de mariposa y las válvulas de asiento de acuerdo al requerimiento
del operador.
29
Figura 22: Diagrama de salidas digitales de las electroválvulas
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Como una de las entradas digitales al PLC se tendrá el selector marcha/paro (S3),
según se muestra en la Figura 23, el cual, va conectado a la línea de voltaje positivo
de 24VDC y es direccionado con la entrada I0.0 del PLC.
Este selector permitirá controlar los modos de operación del sistema ya sea en
automático o manual.
Figura 23: Diagrama entrada digital Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
30
3.2.1.3 Diagrama de potencia
El diagrama de potencia que se muestra en la Figura 24 corresponde al arranque
directo de la bomba de 5.5KW formado por un guarda motor y un contactor.
Esta bomba es utilizada para el suministro de agua del nuevo tanque. En este mismo
diagrama se observan las conexiones de la bomba de 22KW correspondiente a la
bomba de succión de agua en el proceso de lavado automático, la misma que consta
de un guarda motor y un variador de frecuencia.
Figura 24: Circuito de potencia
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
3.2.1.4 Diagrama neumático
El diagrama neumático que se utiliza para el accionamiento de las válvulas de
mariposa y válvula de asiento se muestran en la Figura 25
31
Figura 25: Esquema neumático Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Para poner en marcha el proceso se diseña un circuito electro neumático que permite
controlar las entradas y salidas destinadas del PLC. El accionamiento empieza
cuando el PLC envía una señal digital a las electroválvulas (Y1, Y2…Y6) para su
respectiva activación, haciendo que los actuadores (YA1, YA2…YA6) desempeñen
su función que se trata de activar la válvula mariposa o válvula de asiento de acuerdo
a su programación.
3.3 Montaje de equipos
3.3.1 Tablero de control
El tablero de control Figura 26, ubicado en el exterior del proceso, frente a los
tanques de suministro, tiene la función de salvaguardar los equipos de control entre
ellos el PLC, los relés, los breakers de protección, las borneras, la pantalla táctil
(Magelis), las unidades de mando y señalización para los arranques de las bombas.
32
Figura 26: Distribución de los equipos en el tablero de control Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
El tablero de control cuenta con dos puertas, en la primera puerta que da hacia el
exterior se encuentran instalados las unidades de mando y señalización (pulsadores,
selector y luces piloto); en la segunda puerta la cual se encuentra en el interior tiene
la finalidad de salvaguardar la pantalla táctil de la humedad, la luz del sol y cubrir la
circuitería de control como se muestra en la Figura 27
Figura 27: Ubicación magelis Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
33
3.3.2 Tablero de electroválvulas
Existe un segundo tablero Figura 28, el cual, contiene las electroválvulas, con un
conjunto de borneras para el cableado de control (borneras superiores) y otro
conjunto de borneras que vienen del circuito de fuerza y van a la alimentación de las
bombas. Este tablero se lo conoce con el nombre de tablero neumático por su función
de salvaguardar a los elementos neumáticos.
Figura 28: Distribución de equipos en el tablero de electroválvulas Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
3.4 Flujogramas del proceso
Flujograma principal del control del sistema.
La Figura 29 muestra el flujograma principal del control del sistema que empieza
con la inicialización, después se lee el estado automático, si su señal es positiva
se establece el tiempo de lavado de las válvulas asignando las variables TVM=X
y TVA=Y; si el valor del estado es SI se ejecutará la subrutina de arranque en
caso contrario se enlazará con la rutina de ingreso manual para dar paso a la
selección del tanque al cual se ingresará sus valores de lavado.
34
Figura 29: Diagrama de flujo de control del sistema Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Subrutina de arranque automático
Figura 30: Subrutina de arranque automático
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
35
El diagrama de la subrutina de arranque automático mostrado en la Figura 30 inicia
estableciendo los tiempos de lavado de los tanques, luego se realiza la selección del
tanque, al cual el sistema va a ejecutar el lavado automático, así como a la tubería,
para posteriormente realizar el mismo proceso con los tanques L4, L5 y L6.
Subrutina de arranque manual
Figura 31: Subrutina de arranque manual Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
En la subrutina de arranque manual mostrada en la Figura 31 se empieza
seleccionando el tanque (L4, L5 o L6) para después activar el valor de las variables
ingresadas Tanque o Tubería; si la salida es válida se procede a encender los
actuadores del proceso (V. Mariposa o V. Asiento), caso contrario el proceso retorna
hasta que el operador asigne una de las variables deseadas.
36
3.5 Diseño del HMI
HMI es la Interfaz entre el humano y la máquina, donde se encuentran
esquematizados, gráficamente el proceso que se desea monitorear y además permite
al operador:
Monitorear datos de la máquina en tiempo real y con un lenguaje fácil para
la interpretación del operador.
Supervisar y ajustar condiciones de trabajo.
Reconocer alarmas de anomalías dentro del proceso.
Controlar mediante algoritmos de ajuste las condiciones y valores en el
proceso.
Registrar y almacenar archivos para llevar un registro histórico de alarmas y
eventos.
De esta manera permite al operador tomar decisiones oportunas y a tiempo. Un HMI
está conformado por un controlador que se dedica a la adquisición de datos
proporcionados por el sensor, al igual que él envío de datos hacia los elementos de
control.
Pantalla de presentación
La pantalla de presentación Figura 32 es la primera que se observa al momento de
iniciar la aplicación, esta misma consta de tres botones los cuales permitirán
seleccionar las opciones de lavado, proceso y mantenimiento.
Figura 32: Pantalla de presentación magelis
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
37
Opción lavado
Una vez seleccionada esta opción, se desplegará la pantalla de ciclo de lavado tal
como se observa en la Figura 33
Figura 33: Panel ciclo de lavado
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
En la etapa de lavado se puede seleccionar el tanque sobre el cual se va a realizar el
proceso de limpieza; en esta pantalla solo existen configuraciones de botones para
saltar a otro panel.
Al elegir uno de los tres tanques mostrado en la Figura 33, se desplegará el panel
para controlar el lavado del mismo.
Figura 34: Ciclo de lavado Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
38
En la Figura 34 se tendrán los indicadores que visualizarán los estados de las
válvulas y la bomba CIP, además se cuentan con los siguientes elementos:
Botón Manual: permite elegir el modo manual o automático del lavado del
tanque.
Botón Iniciar: da el inicio al proceso automático de lavado siempre y cuando
esté seleccionado el modo automático.
Botón Válvula Mariposa: activa la válvula mariposa del tanque en el modo
manual.
Botón Válvula de Asiento: activa la válvula de asiento del tanque en el
modo manual.
T1 y T2: indican el tiempo que está activada la válvula mariposa y la válvula
de asiento respectivamente, en cada ciclo de lavado.
Botón Configurar Tiempos: al pulsar este botón aparecerá un subpanel
Figura 35 donde se puede ingresar los tiempos de activación de cada válvula
o elegir los tiempos predeterminados.
Figura 35: Tiempos de lavado
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Opción proceso
En este panel Figura 36 al igual que en el panel de lavado se podrá elegir el tanque
L5 y L6 para observar si las válvulas se encuentran activadas mediante unos
indicadores; en cambio en el tanque L4 además de estos indicadores, también se
39
puede observar el nivel de líquido que se encuentra en el tanque gracias al sensor de
nivel.
Figura 36: Panel de procesos
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Como se mencionó anteriormente en el tanque L5 y L6 solo se observarán los
indicadores de encendido de las válvulas de mariposa, válvulas de asiento y de la
bomba CIP como se muestra en la Figura 37
Figura 37: Proceso tanque L6 Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
40
En cambio en el tanque L4 se observará la cantidad de litros que se encuentran en el
mismo de forma numérica y mediante un slider.
Figura 38: Proceso tanque L4
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
En la Figura 38, el botón Calibrar es donde se ingresará los valores máximos y
mínimos del contenido de leche en este caso el valor mínimo vendría a ser de 0 litros
y en el valor máximo sería de 40000 litros; en el valor real en cambio se tendría los
valores que ofrece el sensor y en los valores de escala se obtendrán los valores para
obtener la linealidad.
Figura 39: Calibración sensor ultrasónico Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
41
Mientras que el botón Volver a valores predeterminados mostrado en la Figura 39
se coloca los valores tanto de máximo y mínimo como se encuentran por default en
la programación del PLC.
Opción mantenimiento
Este panel, es restringido y solo se podrá acceder mediante una clave; en este panel
se observará el tiempo total de funcionamiento de la bomba CIP, y el control de las
válvulas de cada tanque, además del tiempo que están activadas las válvulas y la
configuración de tiempos de activación de cada tanque como se muestra en la
Figura40
Figura 40: Panel de mantenimiento
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
3.6 Configuración del sensor de nivel
3.6.1 Calibración de la señal analógica
Una vez instalado el sensor en su posición y polarizado correctamente se procede a
calibrarlo Anexo 1.
Desde la pantalla de configuración del sensor se presionará al mismo tiempo
los botones t1 y t2 durante tres segundos, tras lo cual aparecerá la pantalla
“Hello Pro” seguidamente de las letras “IU”, luego se presionará t1 o t2 a la
vez para proceder a configurar los parámetros.
42
En el siguiente parámetro se presionará t1 y t2 a la vez
En el próximo parámetro se elegirá la menor distancia que existirá entre el
sensor y el nivel del líquido una vez configurado el valor se presionará t1 y t2
a la vez para pasar al siguiente parámetro
Ahora se configurará la distancia más lejana que habrá entre el líquido y el
sensor; restándole el valor que se ingresará en el anterior parámetro y
nuevamente se presionará t1 y t2 a la vez
En este último parámetro se configurará el tipo de salida de corriente que se
tendrá si es en ascenso o descenso
Para finalizar se presionará t1 y t2 a la vez una vez que salga End se
presionará t1 y t2 a la vez para guardar los datos configurados
3.6.2 Escalamiento de la señal analógica
El sensor ultrasónico es utilizado para medir el nivel del líquido en el tanque L4 de
una forma directa. El nivel mínimo que se va a trabajar es de 40.000 litros y el
máximo es de 0 litros.
43
El sensor ultrasónico entrega la señal de corriente de 4 a 20mA en función de su
dmax y dmin configuradas en el display, es decir que donde se señale el punto de
medición máxima el sensor entregará 4 o 20mA dependiendo si fue configurado
como ascendente o descendente. Para este proyecto y por facilidad del cálculo el
sensor se configuró en modo descendente de tal forma que donde se establezca su
punto máximo de medición entregará 4mA para indicar que el volumen esta en 0
litros y en la mínima distancia el sensor entregará 20mA indicando el volumen de
40.000 litros.
En este contexto se puede decir que cuando el tanque se encuentre vacío el sensor
entregará 4mA y cuando el tanque este a su mayor capacidad el sensor entregará
20mA. De esta manera la relación volumen vs corriente se determina como se indica
en la Figura 41
Figura 41: Gráfica lineal Litros vs Corriente Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
44
Para realizar el proceso analítico es necesario obtener la fórmula de linealidad de la
relación volumen vs corriente, para lo cual se utiliza la fórmula de la pendiente que
se muestra en la ecuación (1).
Ecuación (1)
Se reemplazan los valores con los puntos iniciales (Yo, Xo) = (0, 4) y punto final
(Yf, Xf) = (40000, 20) de la recta mostrada en la Figura 41, litros vs corriente para la
obtención de la pendiente cuyo valor se indica en la ecuación (2).
Ecuación (2)
Se aplica nuevamente la fórmula de la pendiente reemplazando esta vez un punto
conocido de la recta (Yf, Xf) = (40000, 20), un punto no conocido (Y, X) y el valor
de la pendiente ecuación (2). Con el objetivo de obtener la fórmula de linealidad de
la recta cuyos valores no conocidos son: Y que representa el volumen litros y X valor
de la corriente (mA).
En la ecuación (3) se muestra el resultado:
(20-X)(40000)= 16 (40000-Y)
20*40000-40000X= 16*40000-16Y
16Y=16*40000-20*40000+40000X
45
Ecuación (3)
Donde:
X: valor de corriente (4 a 20mA)
Y: volumen (0 a 40.000lt)
La ecuación (3) simboliza un sistema ideal en el cual el volumen es directamente
proporcional a la corriente.
Por ejemplo si se necesita conocer analíticamente cual sería el volumen con una
corriente de 10mA se calcularía utilizando la ecuación (3), donde X es igual al valor
de corriente medido y Y el valor equivalente en volumen.
Litros
Procesamiento analógico
Se busca linealizar el proceso de medición del volumen en el interior del tanque con
respecto a la relación que ejerce automáticamente el módulo analógico al registrar la
señal de corriente (4 a 20mA) en el registro de memoria IW1.0, el mismo que tiene
un espacio de 16 bits (capacidad de 0 a 32768). Esta operación permite analizar el
procedimiento automático que realiza el autómata al momento de convertir la señal
de corriente en registro entero de tal forma que se pueda obtener la fórmula necesaria
para relacionar la corriente con el volumen.
46
Utilizando la fórmula de la pendiente aplicada a la Figura 42 de Corriente vs Word
(conocido como Word al registro del módulo analógico) se obtiene la ecuación (4).
Figura 42: Gráfica lineal Corriente vs Word Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Ecuación (4)
Donde:
X: valor de la corriente medido (4 a 20mA)
Y: es la equivalencia en entero (0 a 32768)
La ecuación (4) permite conseguir la relación Litros vs Word Figura 43
47
Figura 43: Gráfica lineal Litros vs Word Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Aplicando la ecuación de la pendiente se obtiene la fórmula de relación LITROS vs
WORD mostrada en la ecuación (5)
Ecuación (5)
Donde:
X: es el equivalente en número entero (0 a 32768) de la corriente (4 a 20mA)
Y: es el equivalente en litros (0 a 40000 litros)
La ecuación (5) es la fórmula programada en el autómata para lograr la equivalencia
en litros a partir de la medición de corriente. En la Figura 44 se indica en resumen el
procedimiento para la obtención del volumen en función de la medición de la
corriente.
48
Figura 44: Procesamiento de la señal analógica Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Primero, el sensor entrega la señal de corriente de 4 a 20mA en función del nivel de
contenido de leche en el interior del tanque, que es entregada al módulo analógico.
Segundo, él módulo analógico automáticamente escribe en la variable de memoria
IW1.0 la equivalencia de la corriente medida de 4 a 20mA, en un número entero de 0
a 32768.
Y finalmente el PLC procesa el número entero para obtener la equivalencia en Litros,
la misma que es mostrada en la pantalla táctil Magelis en forma gráfica y numérica.
A continuación se establece un ejemplo tomado como ingreso una señal de 10mA.
Primero, se utiliza la ecuación Corriente vs Word ecuación (4) para obtener el
equivalente en entero de la señal de 10mA.
Y=12288 bits
Con este valor se obtendrá la equivalencia en volumen utilizando la ecuación Litros
vs Word ecuación (5)
49
Y= 15000 litros
Como resultado con una señal de corriente de 10mA se debería obtener 15000 litros.
A continuación se muestra la Figura 45 con los datos del ejemplo anterior.
Figura 45: Escalamiento de la señal
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
En la tabla 17 se muestran los datos obtenidos a partir de las ecuaciones 4 y 5.
Tabla 17: Obtención de datos esperados
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
SEÑAL DE CORRIENTE (mA) EQUIVALENCIA EN ENTERO EQUIVALENCIA EN LITROS (lt)
4 0 0
5 2048 2500
6 4096 5000
7 6144 7500
8 8192 10000
9 10240 12500
10 12288 15000
11 14336 17500
12 16384 20000
13 18432 22500
14 20480 25000
15 22528 27500
16 24576 30000
17 26624 32500
18 28672 35000
19 30720 37500
20 32768 40000
RESUMEN DE LOS DATOS ESPERADOS
50
3.7 Configuración de la red Modbus
La configuración de la red Modbus emplea el estándar de comunicación serial
RS-485 en configuración de cuatro hilos y permite la transmisión y recepción de
datos. En la Figura 46 se indica la conexión Modbus entre el PLC y la pantalla táctil
Magelis.
Figura 46: Configuración red Modbus
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
3.7.1 Configuración de los parámetros Modbus en el PLC
El PLC establecido como Master (equipo maestro de la red Modbus) está
configurado con los siguientes parámetros de red: velocidad baudios 19200, paridad
par, bit de datos igual a 8, bit de parada igual a 1como se muestra en la Figura 47
Figura 47: Configuración PLC Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
51
3.7.2 Configuración de los parámetros Modbus en la pantalla táctil magelis
La pantalla táctil magelis debe tener los mismos parámetros de red para establecer la
comunicación con el PLC, de esta manera se establecen los siguientes valores:
velocidad baudios 19200, paridad par, bit de datos igual a 8, bit de parada igual a 1,
como se muestra en la Figura 48.
Figura 48: Configuración pantalla táctil
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
52
CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Pruebas y resultados de la medición del nivel leche
El sistema automatizado es un proceso importante dentro del campo lácteo. Los
resultados que se obtienen serán indispensables para una mejor distribución de la
leche, reducción de errores, disminución de recursos, desperdicio de material y la
visualización del proceso.
Una vez realizada la implementación, calibración y puesta en marcha del proceso, se
efectuaron pruebas de llenado del tanque L4, junto con la activación y desactivación
de los actuadores, donde se obtuvieron datos reales tomando en cuenta el
funcionamiento estándar del proceso y estos son detallados a continuación:
4.1.1 Pruebas de la señal analógica
Se busca linealizar la distancia en función de la señal de corriente a partir de las
características técnicas del sensor ultrasónico Anexo2.
Donde su rango de medición es de los 60 a 600 cm y su señal de corriente es de
4mA a 20mA.
En la tabla 18 se muestra los valores de la distancia desplegados por el sensor
ultrasónico en su respectivo display para la toma de sus medidas.
53
Tabla 18: Mediciones ideales
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Los datos mostrados en la Figura 49 indican la linealización del comportamiento de
la señal analógica en función de la distancia medida, el mismo que puede ser
calibrado desde el display del sensor, es decir se puede limitar el rango de distancia
máxima y mínima que medirá el sensor ultrasónico.
4 590 0
5 557,19 2500
6 524,38 5000
7 491,56 7500
8 458,75 10000
9 425,94 12500
10 393,13 15000
11 360,31 17500
12 327,50 20000
13 294,69 22500
14 261,88 25000
15 229,06 27500
16 196,25 30000
17 163,44 32500
18 130,63 35000
19 97,81 37500
20 65 40000
SEÑAL DE
CORRIENTE (mA)
DISTANCIA
(cm)
EQUIVALENCIA EN
LITROS (lt)
54
Figura 49: Linealización Distancia vs Corriente
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Si se configura el sensor ultrasónico en modo descendente, su señal de corriente en
función de la distancia se invierte, de tal forma que se obtiene en su distancia
máxima (600 cm) con una señal de 4mA, y en su distancia mínima (60cm) una señal
de 20mA.
4.1.2 Mediciones obtenidas en el campo
Para verificar la lectura de nivel de leche se mide la señal de corriente que entrega el
sensor ultrasónico en función del volumen dentro del tanque, utilizando el calibrador
de señales para medir el ingreso de la señal analógica en el módulo de expansión
analógico con la finalidad de comparar estos valores con los resultados esperados; de
la misma forma visualizar su equivalencia en litros mostrada en la pantalla táctil
magelis.
En la Figura 50 se muestra el calibrador utilizado para la medición de señal de
corriente que entrega el sensor ultrasónico al módulo analógico.
55
Figura 50: Pruebas de calibración
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
Se inicia la medición con el tanque vacío (0 litros), se toma la lectura del volumen en
el HMI y se procede a realizar la medición de corriente con el calibrador de señales.
Se realiza el mismo proceso con diferentes niveles de contenido de leche para así
verificar que la calibración que entrega el sensor ultrasónico sea similar a la que se
visualiza en la pantalla táctil magelis.
En la tabla 19, se muestran las mediciones obtenidas en el campo.
Tabla 19: Mediciones obtenidas en el campo
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
4 590 0
5,03 556,20 2509
6,01 524,05 5025
7,32 481,06 7535
8,02 458,09 10050
9,07 423,64 12575
10,03 392,14 15075
11,01 359,98 17578
12,03 326,52 20025
13,99 262,20 22555
14,04 260,56 25050
16,01 195,92 30025
17 163,44 32500
18,02 129,97 35050
19,01 97,48 37725
20 65 40000
MEDIDAS OBTENIDAS EN EL CAMPO
MEDICION DE LA SEÑAL DE
CORRIENTE (mA)DISTANCIA (cm)
NIVEL DE LECHE VISUALIZADA
EN PANTALLA(lt)
56
4.1.3 Margen de error de los datos obtenidos
El análisis del porcentaje de las mediciones esperadas en comparación con las
mediciones obtenidas en el campo, entrega un porcentaje de error mínimo, es decir
que las probabilidades de que exista pérdidas de leche son mínimas. Los valores se
encuentran tabulados en la Tabla 20.
Tabla 20: Cálculo del porcentaje
Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
En la Figura 51 se visualiza los porcentajes de error que existen entre el valor ideal
vs el valor real, además se obtiene el porcentaje de error promedio con la finalidad de
saber cuál es el valor de margen de error que existe en este proceso automatizado.
0 0 0,00
2500 2509 0,36
5000 5025 0,50
7500 7535 0,47
10000 10050 0,50
12500 12575 0,60
15000 15075 0,50
17500 17578 0,45
20000 20025 0,13
22500 22555 0,24
25000 25050 0,20
30000 30025 0,08
32500 32500 0,00
35000 35050 0,14
37500 37725 0,60
40000 40000 0,00
0,30PORCENTAJE DE ERROR PROMEDIO
PORCENTAJE
VALOR ESPERADO
(VALOR IDEAL)
VALOR MEDIDO EN LA
PANTALLA (VALOR REAL)
PORCENTAJE DE
ERROR %
57
Figura 51: Porcentaje de error Elaborado por: Edith Carrera y Diego Sarabia
58
CONCLUSIONES
El sistema de supervisión, control automático de suministro y limpieza en un
tanque de leche de almacenamiento de la empresa, para un proyecto de
servicio de la empresa SEIUS, funciona adecuadamente bajo las condiciones
de automático o manual para el lavado de los tanques, mediante el uso de
válvulas neumáticas (actuadores) y electroválvulas controladas por el PLC
TWIDO TwdlMA20DRT, además una pantalla táctil (Magelis) XBTGT2330
que tiene como objeto el control del sistema como también la supervisión del
nivel de leche dentro del tanque; para lo cual se utilizó un sensor ultrasónico
para la medición, linealizando su señal de salida de 4 a 20mA en función de
la capacidad del tanque de 0 a 40000lt.
Los equipos que se utilizaron para el proceso de control y monitoreo fueron
caracterizados y seleccionados para cumplir con el requerimiento del sistema
de control automático y manual para el lavado de los tanques y supervisión
del nivel de leche; bajo los estándares de la empresa SEIUS los cuales se
basan en la venta de equipos únicamente de la marca SCHENEIDER
ELECTRIC para los procesos de automatización.
Se automatizó el proceso de llenado y limpieza mediante la programación del
autómata programable PLC con la Pantalla táctil (Magelis) con la finalidad de
controlar y supervisar el sistema Automático.
Se implementó una HMI mediante diseños y programación de la pantalla
táctil (Magelis), la misma que sirve para configurar los tiempos y ciclos de
lavado como también visualizar el nivel de leche en el nuevo tanque; puesto
que permite al usuario desplazarse fácilmentepor ser un interfaz sencillo de
comprender y utilizar.
59
Con las pruebas pertinentes del correcto funcionamiento y producción del
sistema implementado se demuestra su eficiencia cumpliendo los parámetros
necesarios y la satisfacción del cliente
El desarrollo del proyecto cumple con todas las etapas de diseño,
implementación y pruebas en producción y se lo entregó en condiciones
operativas.
60
RECOMENDACIONES
Se recomienda la instalación de sensores ultrasónicos en los otros dos tanques
de almacenamiento para la supervisión de contenido de leche debido a que al
contar en un solo tanque con este sistema de supervisión no se está
explotando la producción a su máxima capacidad.
Se sugiere dar un mantenimiento preventivo periódico al sensor ultrasónico y
a los actuadores, ya que con el frecuente uso se puede evitar que estos se
deterioren rápidamente y pierdan sus funciones originales.
Se recomienda cambiar el sistema de bombeo de los tanques de recepción de
leche hacia los tanques de almacenamiento automáticamente a partir de la
supervisión del contenido de los tanques, de tal forma que el tanque de
almacenamiento de leche pueda mantenerse en un nivel apropiado de
contenido para enviar a producción.
Se recomienda trabajar con el Manual de Operador y capacitar al personal
que va a supervisar el sistema de control y monitoreo, permitiendo
comprender su correcto funcionamiento para evitar futuros inconvenientes.
Es prudente que con el paso de los años se busque tratar de implementar
nuevos tipos de actuadores ya que el PLC junto con su módulo de expansión
brindan mucha flexibilidad para modificar o expandir las funciones de un
determinado proceso o equipo.
61
LISTA DE REFERENCIAS
Club de Ensayos. (2013). Obtenido de
http://clubensayos.com/Tecnolog%C3%ADa/Neumatica/939608.html
Cobo, R. (s.f.). Obtenido de
http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/hmi.pdf
Durana, J. M. (s.f.). Obtenido de
http://www.araba.ehu.es/depsi/jg/API.pdf
Electric, S. (Enero de 2005). Vijeo-Designer Tutorial. Obtenido de
http://www.infoplc.net/files/descargas/schneider/infoPLC_net_VijeoDesigner
_Tutorial_ESP.pdf
Festo. (julio de 2015). Obtenido de
https://www.festo.com/cat/engb_gb/data/doc_ES/PDF/ES/TIGERCLASSIC_
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FESTO. (s.f.). Automatización Industrial. Obtenido de
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Festo. (s.f.). Filtro Regulador. Obtenido de
https://www.festo.com/cat/es_es/search?query=FRC
Molina, J. L. (2002). profesor molina. Obtenido de
http://www.profesormolina.com.ar/tecnologia/sens_transduct/que_es.htm
Sampiensman. (s.f.). Obtenido de
http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica16.htm#electrovalvulas
Schneider_Electric. (24 de Noviembre de 2014). Obtenido de
http://www.schneider-electric.com/en/product-range-selector/1434-magelis-
xbt-gt/?p_url=http%3A%2F%2Fwww.ops-ecat.schneider
Sick. (s.f.). Sensor Ultrasónico. Obtenido de
https://www.mysick.com/eCat.aspx?go=FinderSearch&Cat=Row&At=Fa&C
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49224
Wikiciencia. (s.f.). Electrónica Los PLC (Controlador Lógico Programable ).
Obtenido de
http://www.wikiciencia.org/electronica/electricidad/plc/index.php
62
ANEXOS
Anexo 1. Diagramas Unifilares
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
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Anexos 2. Hoja técnica Sensor de Ultrasónico
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