Universidad Tecnológica de Querétaro

Universidad
Tecnológica de
Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de
Querétaro
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Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de
Querétaro, ou, [email protected], c=MX
Fecha: 2010.11.05 11:05:11 -06'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
VOLUNTAD CONOCIMIENTO SERVICIO
PROGRAMA EDUCATIVO DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
REPORTE FINAL DE ESTADÍA PARA OBTENER EL TÍTULO DE
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO
INDUSTRIAL
TÍTULO DEL PROYECTO:
CONTROL DE NIVEL EN EL MEZCLADOR 1 DE EL ÁREA DE HOME KARE
EMPRESA:
INNOVA AUTOMATION
PRESENTA:
JUAN JOSE RAMOS PARRA
ASESOR DE LA EMPRESA:
ING. ALVARO SOTO RUBALCAVA
ASESOR DE LA UTEQ:
ING. ALEJANDRO JAMAICA GONZÁLEZ
QUERÉTARO, QRO. OCTUBRE 2010
DEDICATORIAS
Este trabajo se lo dedico a mi padre Juan José Ramos Navarrete por que el siempre
va a ser mi ejemplo a seguir y creo que es una forma para decirle gracias por tu
paciencia y cariño. Yo se que tu siempre me acompañas y apoyas en todo. Y gracias
a ti me gusta la profesión de la automatización y espero que en algún día sea tan
bueno como tú lo fuiste.
AGRADECIMIENTOS
A mi madre por que siempre se ha preocupado y desvelado con el fin de brindarme
las herramientas necesarias para que yo tenga una buena educación, se que su tarea
no ha sido fácil y en la mayoría de las ocasiones no se ha llevado buenas
satisfacciones, pero le he demostrado que he cambiado y que sus esfuerzos están
dando frutos.
A los profesores de la UTEQ por compartir sus conocimientos y filosofía. Al equipo
que trabaja en INNOVA por darme la oportunidad para realizar mis practicas dentro
de su empresa.
INDICE
DEDICATORIAS
AGRADECIMIENTOS
Ø CAPITULO I
INTRODUCCIÓN……………………………………….………………………1
Ø CAPITULO II
LA EMPRESA
ESTRATEGIAS DE CALIDAD……………….……………..………………..2
PRINCIPALES CLIENTES………..……………………….………………….3
Ø CAPITULO III
PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO Y
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA………………………….….……………4
OBJETIVO……………………………………………………….……………..4
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES MENSUAL………….………………5
Ø CAPITULO IV
MARCO CONCEPTUAL………………………………………………………6
Ø CAPITULO V
DESARROLLO DEL PROYECTO
ESTRATEGIA DE DESARROLLO…………………………………………35
Ø CAPITULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.………………..………….....37
Ø APENDICE…………………………………………………………………38
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
La Universidad Tecnológica de Querétaro surge debido a la gran cantidad de
empresas que están llegando a Querétaro y con la necesidad de formar personal con
el grado de Técnicos Superiores Universitarios en diversas áreas dentro del sector
productivo.
La UTEQ nace en el año de 1994 por medio de la colaboración educativa con
Francia, importando de ellos el modelo educativo de TSU; el cual se basa en una
estrecha relación escuela – empresa, muestra de ello es que el último cuatrimestre de
estudios se realiza en una empresa a esto se le llama “proceso de estadía”.
La finalidad de la estadía es complementar la formación académica del alumno,
además de integrarlo al ambiente laboral que tendrá en su vida profesional; siendo
esto parte de los requisitos de la Institución para todo alumno que esté por egresar.
La estancia en empresa tiene un tiempo de duración de cuatro meses y se realiza en
el último cuatrimestre de la carrera, la finalidad de esta estancia es de contribuir a la
formación del alumno y apoyar a la empresa en la realización de las actividades
propias de la carrera en cuestión.
La empresa donde realizo la estadía se dedica al diseño, implementación y puesta en
marcha de proyectos de automatización y control.
Por ello la finalidad de la estadía es adquirir conocimientos y experiencia en la
industria, realizando ingeniería detallada en la implementación de sistemas
electromecánicos.
1
CAPITULO II
LA EMPRESA
La Empresa Innovación Integral de Sistemas, S.A. de C.V. (Innova Automation
Systems), tiene como domicilio calle 2 #125 Int. 13 Zona Industrial Jurica, Querétaro
C.P.76120 Querétaro, como se ve en la figura 2.1
Figura 2.1 Domicilio Innovación Integral del Sistemas
Teléfono: 2203311
Giro: AUTOMATIZACIÓN
MISIÓN
“Ofrecer la mejor Opción de integración de sistemas a nuestros clientes, utilizando
tecnologías de vanguardia que permitan satisfacer siempre los requerimientos y
necesidades propias de cada usuario. Enfatizamos nuestra capacidad de proveer
excelencia en Productos, Sistemas y Servicios, en todos los aspectos del campo de la
automatización de procesos industriales, de tal modo que aporten importantes
beneficios a nuestros clientes.”
VISIÓN
“Ser una empresa líder en la integración de sistemas de automatización Industrial,
contando con personal altamente capacitado y con las mejores técnicas para el
desarrollo de aplicaciones de procesos industriales, que nos permitan ser la mejor
opción a elegir en el mercado.
2
Servicios que ofrece innova.
La empresa le ofrece los siguientes servicios en el área de la Automatización y
Control:
•
Integración de sistemas.
•
Desarrollo de Ingeniería Básica.
•
Desarrollo de Ingeniería de Detalle.
•
Levantamientos sobre la Base Instalada de los Sistemas de Control de la
Planta.
•
Diseño de Sistemas y Estrategias de Control.
•
Programación de PLC´s.
•
Integración de Interfaces Hombre Máquina (HMI).
•
Programación de Sistemas de Visión.
•
Modernización del Control de Maquinaria (Retrofit).
•
Instalaciones Eléctricas y de Control.
•
Armado de Tableros y Gabinetes de Control.
•
Configuración y Parametrización de Drives.
•
Diseño y Configuración de Redes Industriales.
•
Consultoría para Selección de Equipo Industrial.
•
Cursos Tecnicos. .
PRINCIPALES CLIENTES:
Misiòn hills
Woco
VALEO SYLVANIA
Mabe
DANA
AVON
PRETTL DE MEXICO
BACHOCO
3
CAPÍTULO III
PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO
DEFINICIÓN
La empresa Innova Automation S.A DE C.V fue contratada por uno de sus clientes
para diseñar un sistema de control de niveles para controlar el nivel de algunos
tanques contenedores de materia prima y mezcladores ubicados en distintos puntos
de la empresa del cliente.
Uno de los principales problemas se encuentra en la área de materias primas, en esta
área se presenta el problema en el momento de que los provedores de materia prima
descargan
su producto al tanque contenedor y constantemente se derrama el
producto al no a ver un sistema que apague la bomba de llenado al momento de que
el tanque está lleno.
OBJETIVO DEL PROYECTO
ü Presentar una solución para evitar que el contenido de los tanques se derrame.
ü Propuesta de un plan de mantenimiento del sistema propuesto.
ü Lograr automatizar el control de nivel en el mezclador 1 de el área de homekare.
o Realizar programa de instrucciones para el PLC.
4
CRONOGRAMA DEL PROYECTO SEMANALMENTE.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
Proyecto: ”Control de nivel en el mezclador 1 de el área de homekare”
Asesor empresa: Ing. Alavaro Soto Rubalcava
Empresa: Innova Automation
Asesor UTEQ:
ETAPAS
MAYO
AVANCE 1 2 3 4
P
1 Conocer sobre la tecnología en PLC´s y redes industriales
R
2) Se nos invito a participar a los proyectos que se están realizando
en misión hills
3) Localización de las líneas de producción en donde se va a
realizar la implementación.
4) Realización de la propuesta del proyecto.
P
R
P
R
P
R
X
Ing. Alejandro Jamaica González
1
JUNIO
2 3 4
JULIO
AGOSTO
5 1 2 3 4 1 2 3 4 5
X X X
X X X X
X X X
X X X
X X X
X X X
X X X X
X X X X
P-programado
R-real
5
CAPÍTULO IV – MARCO TEÓRICO
La automatización es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar
maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos.
El objetivo de la automatización es:
Ø Mejorar la calidad y uniformidad del producto mediante procesos repetitivos
Ø Minimizar el esfuerzo y los tiempos de producción
Ø Reducir la intervención humana, el aburrimiento y posibilidad de error humano
Ø Reducir el daño en las piezas que resultaría del manejo manual
Ø Aumentar la seguridad para el personal
Ø Reducir costos disminuyendo tiempos y defectos
El origen de la automatización se remonta a los años 1750, cuando surge la revolución
industrial.
1745: Máquinas de tejido controladas por tarjetas perforadas.
1870: Primer torno automático, inventado por Christopher Spencer
1940: Surgen los controles hidráulicos, neumáticos para máquinas de corte
1945: John Parsons comienza investigación sobre control numérico
1950: Control basado en relevadores electromecánicos
1960: Se desarrollan técnicas de control numérico directo y manufactura
computarizada
1970: Se comercializa el micro procesador y con el surgen los PLCs
1980: Se comercializa la PC y con ella surge el control basado en PC
1990: Surge el PAC (Combinación de una PC y un PLC)
Los tipos de automatización son:
Ø Automatización Fija:
- Aplicada a volumen de producción alto
- Equipo especializado, alto costo de diseño
- Ciclo de vida de la mano con la vigencia del producto en el mercado
Ø Automatización Programable:
- Aplicada a volumen de producción bajo y diversidad de productos
6
- Equipo diseñado para adaptarse a los cambios del producto por medio de software
Ø Automatización Flexible:
- Aplicada a volumen de producción media
- Sistemas integrados por estaciones de trabajo interconectadas por sistemas de
lmacenamiento y manipulación de materiales controlador por una computadora
- Es la combinación de elementos de automatización fija y programable
Basados en la definición, se plantea la filosofía para automatizar, así como la necesidad
de liberar al personal operativo de trabajos rutinarios y tediosos, evitar el contacto con
equipo, materiales peligrosos y lejos de zonas de alto riesgo. Con esto se persigue
ubicar al operador de maquinaria en un trabajo como supervisor donde desarrolle sus
facultades intelectuales y proponga nuevas mejoras.
Además de provocar desarrollo personal, los sistemas de producción automatizados
logran:
ü Una alta calidad, constante y factible de mejorar.
ü Menor mantenimiento correctivo y mantenimiento preventivo bien planeado.
ü Corrección de fallas por auto-diagnóstico.
ü Planeación de la producción por sistemas computarizados.
ü Información actualizada de la producción en cantidad y calidad.
ü Menores riesgos de accidentes e incremento en el nivel de seguridad.
ü Mejora en la imagen de la compañía.
ü Menos gastos y cuotas referentes a seguridad y accidentes, etc.
Sin embargo, esta forma de trabajo exige de inversiones financieras iníciales, personal
capacitado para instalación y operación del equipo, una mentalidad enfocada a realizar
cualquier tarea con la máxima calidad posible y una buena actitud de apertura y cambio
para mejorar.
A esta manera de trabajar se le conoce hoy en día bajo los conceptos de sistemas de
producción competitivos, de clase mundial, de alto rendimiento, o producción y calidad
total, mejora continua, etc.
7
Junto con la disposición y formas de trabajo en cada empresa, están los tipos de
tecnologías para lograrlo, por ello es conveniente tener un buen adiestramiento técnico
Universitario.
Para lograr realizar un automatismo se requiere del conocimiento de varias técnicas,
equipos y principios de funcionamiento. Las especialidades de mayor demanda son:
Electrónica, Computación, Neumática, Hidráulica, Diseño Mecánico y Eléctrico.
El éxito de automatizar es el de usar cada equipo según convenga y no limitarse a una
sola técnica por ser la más conocida.
Algunos criterios de selección o definición de equipos son los siguientes:
Ø Fuerza en los movimientos.
(Piezas a trabajar, tipos de movimientos, etc.).
Ø Rapidez en el ciclo de trabajo.
(Velocidad, aceleración, etc.).
Ø Exactitud.
(Característica del sistema de alcanzar una posición con la mínima tolerancia o error).
Ø Repetibilidad
(Seguridad de que después de “n” ciclos el sistema sigue colocándose en la
misma posición como al principio).
Ø Condiciones de seguridad.
(Contra explosión, manejo de sustancias tóxicas, etc.).
Ø Condiciones de higiene.
(Libre de posibles impurezas y contaminación).
Ø Trabajo pesado.
(Trabajo de alta frecuencia de ciclo y trabajo continuo).
Ø Flexibilidad.
(Con facilidad de adaptarse a modificaciones según necesidades).
Ø Gasto de energía.
(Uso y consumo de determinada fuente de energía).
Ø Facilidad de operación.
(Facilidad de arranque, operación y mantenimiento, etc.).
8
Ø Soporte técnico.
(Asesoría en campo, garantía, entrega rápida, información en el idioma adecuado).
Ø Costos.
(Precio de equipo, tiempo de entrega, créditos, condiciones de pago, etc.).
Ø Origen.
(Selección de equipo de procedencia determinada y marca con presencia mundial).
Conceptos y tipos de sensores y actuadores
Los sensores son dispositivos que proporcionan información acerca de la presencia o
ausencia de un objeto, tal y como se representa en la figura 1.
Figura 1. Sensor de presencia
Los sensores pueden ser interruptores de límite, fotoeléctricos, magnéticos,
inductivos, capacitivos y ultrasónicos. Estos sensores se empacan en diversas
configuraciones para satisfacer los requisitos de aplicaciones comerciales e industriales,
como se ve en la Figura 2.
Figura 2 Tipos de sensores
Cada tipo de sensor será discutido en detalle y se mostrará en una tabla las
características de cada sensor.
9
En la siguiente tabla se muestran las ventajas, desventajas de cada uno de las
tecnologías de diferentes tipos de sensores y sus aplicaciones.
Sensor
Limit switch
Ventajas
• Capacidad para
corrientes altas
Fotoeléctrico
• Requiere contacto
físico
• Bajo costo
• Tiempo de respuesta
• Tecnología simple
• Rebote
• Para todo material
• Contaminación de
• Vida útil
• Distancia de
sensado
• Tiempo de
respuesta
Inductivo
Desventajas
• Resistente a
lentes
• Rango de sensado
afectado por color y
reflectividad del
Aplicaciones
• Fin de carrera
• Apertura/cierre
de puertas.
• Empaque
• Manejo de
materiales
• Detección de
partes
objeto.
• Distancia de sensado
ambientes hostiles
• Detección
de
metales
• Predecible
• Máquinas
• Fácil instalación
herramientas
• Vida Útil
Capacitivo
• Detecta a través de
paredes
• Sensible a cambios en
el ambiente
• Detección
de
nivel
• Detecta materiales
no metálicos
Ultrasónico
• Para todo material
• Resolución
• Anti-colisión
• Repetibilidad
• Control de nivel
• Cambios de
temperatura
Tabla 1. Características generales de los sensores
Un Límite de carrera (Limit switch) estándar es un dispositivo mecánico que utiliza el
contacto físico para detectar la presencia de un objeto, ver figura 3. Cuando este objeto
10
entra en contacto con el actuador, cambia de su posición normal a su posición operativa.
La operación mecánica activa los contactos dentro del cuerpo del interruptor, como un
contacto como se puede ver el símbolo en la figura 4.
Figura 3. Cuerpo del Limit switch
Figura 4. Símbolo del limit switch
Los sensores inductivos permiten detectar objetos metálicos en su proximidad, tal
como se ve en la figura 5 y su símbolo se muestra en la figura 6.
Figura 5 Sensor de proximidad inductivo
Figura 6 Símbolo sensor inductivo
El principio de operación de este tipo de sensor tiene incorporado un oscilador que
produce una tensión de AC, que cuando se aplica a la bobina, produce un campo
electromagnético, como se ve en la figura 7.
Cuando un objeto metálico entra al campo, disminuye la amplitud de éste, ver figura 8.
El circuito de disparo monitorea su valor y en un valor preestablecido conmuta el estado
de salida del sensor.
Figura 7. Campo electromagnético
Figura 8. Disminución de la amplitud
11
El patrón estándar es de acero fundido liso, cuadrado y con un espesor de 1mm (0.04”)
ver figura 9. La longitud de los lados es igual al diámetro de la cara de sensado o 3
veces el rango de operación ver figura 10, el que sea mayor. La distancia de sensado se
ajusta de acuerdo al tamaño del objeto de interés.
Figura 10 Distancia de sensado
Figura 9 Patrón estándar
Los voltajes de operación pueden ser AC, DC y AC/DC (Voltaje universal), como son:
24VDC, 110VCA y 220VAC.
En DC hay 3 tipos de modelos comúnmente de 2 hilos, 3 hilos y 4 hilos que pueden ser
de salida transistor PNP o NPN.
La configuración de salida para un sensor de proximidad de 3 hilos con salida PNP
(current sourcing), como se ve en la siguiente figura 11 se muestra un sensor con
salida PNP. La carga es conectada entre la salida (A) con respecto a el negativo de la
fuente de alimentación (L-).
Figura 11 Sensor de proximidad de 3 hilos (PNP)
Posteriormente para un sensor con salida NPN (current sinking), la carga es conectada
entre la salida (A) y el positivo de la fuente de alimentación (L+), como se muestra en la
figura 12.
Figura 12 Sensor de proximidad de 3 hilos (NPN)
12
Complementando para transistores que pueden ser de hasta 4 hilos, como se ve en la
figura 13.
Figura 13 Configuración 2,3 y 4 hilos
En algunas aplicaciones se requiere conectar los sensores en serie y paralelo como se ve
en la siguiente imagen 14.
Figura 14 conexión serie y paralelo de sensores
Los sensores capacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia está en
que el sensor capacitivo produce un campo electrostático en vez de un campo
electromagnético.
El sensor capacitivo puede detectar metales y no metales tales como papel, vidrio,
líquidos y tela, ver figura 15 y su símbolo se muestra en la figura 16.
Figura 15 Campo electrostático
Figura 16 símbolo
13
La superficie de sensado está formada por 2 electrodos metálicos concéntricos de un
capacitor. Un objeto que se acerca al sensor altera la capacitancia en el circuito del
oscilador, haciendo que el oscilador oscile como se ve en la figura 17. El circuito de
disparo monitorea la amplitud, y en el valor preestablecido el sensor conmuta el estado
de salida.
Figura 17 Amplitud el campo electrostático
Existe un patrón estándar para cada sensor, y generalmente está definido como algún
metal o agua. Los sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica del objeto a
detectar ver figura 19: en medida que aumenta la constante, la detección es más fácil.
En la gráfica siguiente figura 18, Sr es la distancia de sensado nominal.
Figura 18 Relación dieléctrica vs distancia
Figura 19 Tabla dieléctrico
Los sensores ultrasónicos de proximidad utilizan un transductor para enviar y recibir
señales de sonido de alta frecuencia ver figura 20 y su símbolo se muestra en la figura
21. Cuando un objeto se acerca a la proximidad del sensor, la onda de sonido se refleja
hacia el sensor causando la conmutación del estado de salida.
14
Figura 20 sensor ultrasónico
Figura 21 Símbolo
Un disco piezoeléctrico vibratorio se monta en la superficie del sensor, para producir
ondas de sonido de alta frecuencia ver figura 22. Cuando los pulsos chocan con un
objeto que refleje el sonido, se producen ecos. La duración del pulso reflejado se evalúa
en el transductor, que en el límite preestablecido causa la conmutación de la salida del
sensor.
Figura 22 Disco piezoeléctrico
El pulso emitido es una ráfaga corta de energía ultrasónica de gran amplitud ver figura
23. El eco generalmente es de menor amplitud. El intervalo de tiempo entre la
transmisión de la señal y el eco es directamente proporcional a la distancia entre el
objeto y el sensor.
Figura 23. Pulsos de menor amplitud en recepción
15
Si se trata de líquidos y materiales granulares, es necesario considerar restricciones de
ángulos, ver figura 24.
Figura 24. Restricciones de ángulo en líquidos y materiales granulares
Los sensores sonares puede operar de diferentes modos:
Modo difuso, Figura 25
Figura 25
Modo “reflex”
(retrorreflectivo), Figura 26
Figura 26
Modo “thru-beam”
(opuesto), Figura 27
Figura 27
16
Los sensores fotoeléctricos es un control óptico utilizado en diversos procesos
automatizados. Funciona mediante la detección de un haz de luz visible o invisible, y
respondiendo al cambio en la intensidad luminosa recibida fig. 28.
Figura 28 Haz de luz visible ó invisible
Haz efectivo: Parte útil (de trabajo) de un haz fotoeléctrico Patrón de radiación:
Área total de emisión de energía para sensado.
Campo de visión: Área de respuesta
Emisor: Contiene la fuente de luz, usualmente un led con un oscilador que modula al
led a una elevada velocidad.
Receptor: Decodifica el haz luminoso y conmuta un dispositivo de salida que sirve de
interfaz a la carga, ver figura 29.
Figura 29 Distancia máxima de sensado
Autocontenidos: Sensores fotoeléctricos
de una sola pieza, conteniendo óptica
y electrónica, figura 30.
Figura 30
Sistemas remotos: La amplificación y el
sensado óptico están separados, figura 31.
Figura 31
17
Sistemas de fibra óptica: Utilizan cables de
fibra óptica, y pueden ser autocontenidos
o remotos, figura 32.
Figura 32
Modo opuesto: El emisor y el receptor están
en unidades separadas, figura 33.
Figura 33
Modo retrorreflectivo: Sensor autocontenido,
utilizando un reflector, figura 34.
Figura 34
Modo de proximidad: Sensor autocontenido
que detecta el reflejo de luz en el objeto
de interés, figura 35.
Figura 35
§ Rango: Distancia operativa especificada para el sensor.
§ Contraste: Tasa de la cantidad de luz en estado de detección contra estado de no
detección.
§ Patrón del haz: Gráfica en 2D que ilustra como responde el sensor al emisor u objeto
detectado.
§ Ganancia en exceso: Medida del exceso de la cantidad de luz que llega al receptor
(sobre la cantidad mínima necesaria para operación).
18
Los sensores magnéticos reaccionan a imanes permanentes o electroimanes ver figura
36. Si un campo magnético se acerca al sensor, las placas metálicas en el sensor se unen
mediante el magnetismo, realizando un contacto eléctrico.
Figura 36 sensor magnético
Los PLC´s
Los PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son Dispositivos
electrónicos muy usados en Automatización Industrial.
Su historia se remonta a finales de la década de 1960 cuando la industria buscó en las
nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas
de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes
comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional.
Hoy en día, los PLC´s (figura 37) no sólo controlan la lógica de funcionamiento de
máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones
aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como
controladores proporcional integral derivativo (PID).
Figura 37 Controlador lógico programable (PLC)
19
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes
de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control
distribuido.
Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son el
diagrama de escalera (Lenguaje Ladder), preferido por los electricistas, lista de
instrucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más
intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas
de flujo más fáciles de interpretar y mantener. Un lenguaje más reciente, preferido por
los informáticos y electrónicos, es el FBD (en inglés Function Block Diagram) que
emplea compuertas lógicas y bloques con distintas funciones conectados entre sí.
En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los más
simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y
operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas
(recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación multiprotocolo que
le permitirían interconectarse con otros dispositivos.
Los PLC están adaptados para un amplio rango de tareas de automatización. Estos son
típicos en procesos industriales en la manufactura donde el coste de desarrollo y
mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto contra el coste de
la automatización, y donde van a existir cambios en el sistema durante toda su vida
operacional. Los PLC contienen todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia;
se requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en expresar las
operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las
aplicaciones de PLC son normalmente hechos a la medida del sistema, por lo que el
costo del PLC es bajo comparado con el costo de la contratación del diseñador para un
diseño específico que solo se va a usar una sola vez. Por otro lado, en caso de productos
de alta producción, los sistemas de control a medida se amortizan por si solos
rápidamente debido al ahorro en los componentes, lo que provoca que pueda ser una
buena elección en vez de una solución "genérica".
Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC ya no tienen un precio alto. Los PLC
actuales tienen todas las capacidades por algunos cientos de dólares.
20
Los elementos básicos que integran un PLC incluyen modulo de entradas, unidad
central de procesamiento (CPU), modulo de salidas y un dispositivo de programación
tal como se ve en la figura 38.
Figura 38. Elementos de un PLC
El tipo de modulo de entrada utilizado en un PLC dependerá del tipo de dispositivo de
entrada utilizado ver figura 39. Algunos módulos de entrada responden a las entradas
digitales, también llamados entradas discretas, que son on/off. Otros módulos responden
a señales analógicas. Estas señales analógicas representan maquinas o condiciones de
procesos como un rango de valores de corriente o de voltaje. La función principal de la
entrada de circuitería de un PLC es el de convertir las señales provenientes de estos
varios botones y sensores a una señal lógica que puede ser usada por el PLC.
Figura 39 Entradas al PLC
21
Las entradas del PLC pueden recibir señales digitales o analógicas como:
Digitales
Sinking (NPN) : El sensor conmuta la carga (Entrada) a la terminal negativa. La carga
(Entrada) debe conectarse entre la salida del sensor y la terminal positiva.
Sourcing (PNP) : El sensor conmuta la carga (Entrada) a la terminal positiva. La carga
(Entrada) debe conectarse entre la salida del sensor y la terminal negativa.
Analógicas
-
0 – 10 V
-
0 – 20 mA
-
4 – 20 mA
CPU evalúa el estado de las entradas, salidas y otras variables conforme se ejecuta un
programa almacenado. El CPU envía señales para actualizar el estado de las salidas.
El modulo de salida convierte las señales de control del CPU en señales digitales o
analógicos que se pueden utilizar para controlar varios dispositivos de salida ver figura
40.
Figura 41. Salidas del PLC
El modulo de salidas puede enviar:
Digitales
Salidas a Relevador: Utilizadas en aplicaciones donde se requiere mayor capacidad de
voltaje y corriente.
22
Salidas a Transistor: Utilizadas en aplicaciones donde la frecuencia de conmutación es
alta, no hay partes mecánicas, la durabilidad incrementa.
Analógicas
-
0 – 10 V
-
0 – 20 mA
-
4 – 20 mA
El dispositivo de programación se utiliza para cargar, descargar y modificar los
programas almacenados del PLC. Una vez introducido el programa y las variables
asociadas se almacenan en el CPU ver figura 42.
Figura 42. Dispositivo de programación
El PLC Scan es cuando el programa del PLC se ejecuta como parte de un proceso
repetitivo referido como un escaneo, ver figura 43.
- lectura de entradas.
- Ejecución del programa.
- Diagnostico y Comunicaciones.
- Actualización de salidas.
Figura 43. Ciclo Scan
23
En este sencillo ejemplo que se muestra a continuación, pushbutton (sensores)
conectados a las entradas del PLC son usadas para el arranque y paro, también
conectados a una salida del PLC un arrancador (actuador), ver figura 44.
Figura 44. Conexión entradas y salidas con el PLC
Para la programación del PLC S7-200 la numeración de entradas y salidas (I/O) son:
Numeración de acuerdo a la dirección lógica de la entrada o salida.
I = Entradas
Q = Salidas
El primer digito identifica al Byte y el segundo digito al bit.
24
Los modos de operación y ajuste analógico del PLC S7-200:
RUN: El PLC ejecuta el programa.
TERM: La PC de programación puede seleccionar el modo de operación (RUN o
STOP).
STOP: Se detiene la ejecución del programa.
El ajuste analógico se utiliza para incrementar o decrementar valores de la memoria
especial, ver figura 45. Estos valores pueden utilizarse para variar contadores o
establecer límites de control.
Figura 45. Modos de operación
Los Indicadores de Estado del PLC S7-200 son:
RUN : Se enciende verde cuando está en modo RUN.
STOP : Se enciende amarillo cuando está en modo STOP.
SF/DIAG : System Fault / Diagnostics se enciende rojo cuando hay una falla de sistema,
se enciende amarillo para indicar diagnósticos, ver figura 46.
Figura 46. Indicadores del PLC S7-200
25
Los Módulos de expansión o puertos de conexión siguen la siguiente regla, ver figura
47 y 48:
Figura 47. Conexión módulo de expansión
Figura 48. Cantidad de módulos de expansión
La alimentación del PLC, ver figura 49 y 50.
26
Figura 49. Modelos Alimentados con 24VDC
Figura 50. Modelos Alimentados con 120/230VAC
Las consideraciones de diseño para seleccionar un PLC:
•
Tipo y cantidad de entradas y salidas requeridas
•
Capacidad de procesamiento (Set de instrucciones) y memoria del CPU
•
Voltaje de alimentación del CPU
•
Velocidad de procesamiento del CPU
•
Puertos de comunicación disponibles
•
Capacidad de expansión
Existen 5 tipos de CPUs de la familia S7-200, ver tabla 1 y 2.
CPU 221
CPU 222
CPU 224
CPU 224XP
CPU 226
Cada tipo tiene dos configuraciones de alimentación.
Tabla 2. Tipos de CPU´s
27
Tabla 3. Características de los CPU´s
La Áreas de memoria en el PLC S7-200 son:
Registro de Entradas I: El PLC copia el valor de las entradas físicas al inicio de cada
ciclo de ejecución en este registro.
Registro de Salidas Q: El PLC copia los valores de este registro a las salidas físicas al
final de cada ciclo de ejecución.
28
Memoria Variable V: Se utiliza para almacenar resultados intermedios de operaciones
ejecutadas por la lógica de control, o cualquier otro dato relacionado al proceso.
Memoria Bit M : Se utiliza como relevadores lógicos de control para almacenar
estados intermedios de una operación.
Timers T : Son temporizadores que cuentan en incrementos de 1, 10 o 100 ms, tienen
relacionados dos valores, el valor actual y el bit de estado, este bit resulta de la
comparación del valor actual y el valor preestablecido.
Contadores C : Hay tres tipos de contadores que cuentan cada transición de 0 a 1 en su
entrada. Hay contador ascendente, descendente y en ambos sentidos.
High Speed Counters HC : Se utilizan para contar eventos de alta velocidad
independientemente del barrido del CPU, su valor esta en formato Double Word 32 bits.
Acumuladores AC : Se utilizan como memoria, por ejemplo para pasar parámetros
desde y hacia subrutinas y para almacenar valores intermedios usados en cálculos, El
PLC cuenta con 4 acumuladores de 32 bits (AC0, AC1, AC2 y AC3)
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Memoria Especial SM : Son un medio para comunicar información entre el CPU y el
programa, por ejemplo indicador de primer ciclo de ejecución.
Memoria Local L : Es similar a la memoria Variable (V) con la gran diferencia que la
memoria (V) tiene un alcance global , es decir puede accesarse desde cualquier parte del
programa (programa principal, subrutinas o interrupciones), La memoria Local (L) tiene
un alcance limitado a una parte especifica del programa (programa principal, subrutinas
o interrupciones) y no puede accederse desde otra parte. Esta área de memoria tiene un
tamaño de 64 bytes
USO EN SUBRUTINAS O INTERRUPCIONES VARIABLE LOCAL.
Entradas Analógicas AI : En esta área de memoria se almacena el valor digital de una
entrada analógica. Es de un tamaño de 16 bits, debido a esto siempre comienzan en
bytes pares (AIW0, AIW2, AIW4)
Salidas Analógicas AQ : En esta área de memoria se almacena el valor digital de una
salida analógica. Es de un tamaño de 16 bits, debido a esto siempre comienzan en bytes
pares (AQW0, AQW2, AQW4)
Los elementos básicos de un programa son:
El bloque de programa está integrado por el código ejecutable y los comentarios, el
código ejecutable consiste del programa principal, subrutinas y rutinas de interrupción.
El Programa Principal contiene las instrucciones de control de la aplicación, el PLC
ejecuta estas instrucciones de manera secuencial.
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Las Subrutinas solo se ejecutan cuando son invocadas por el programa principal, una
rutina de interrupción u otra subrutina. Son útiles cuando :
-
Se ejecuta una función repetidamente, se evita reescribir código
-
Reduce el tiempo de barrido del programa
-
Se crea código portátil y reutilizable en otros proyectos, para ello se recomienda
el uso del área de memoria (L)
Las Rutinas de Interrupción son invocadas por eventos de interrupción no por el
programa principal. El PLC ejecuta las instrucciones en la rutina de interrupción solo
cada ves que se presente el evento de interrupción.
Bloque de Sistema : Permite configurar varias opciones de Hardware del PLC, ver
figura 51.
Fig. 51. System Block
Bloque de Datos : Almacena el valor de las variables (V), se puede utilizar para
ingresar valores iniciales, ver figura 52.
Fig. 52.Data Block
El STEP 7-Micro/WIN incluye tres editores para crear programas, ver figura 53: Lógica
Escalera (LAD), Listado de Enunciados “Statement List” (STL) y Digrama de Bloque
de Funciones “Función Block Diagram” (FBD).
Fig. 53. Program Editor
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La Edición de un Programa es:
Statement List (STL)
El editor muestra el programa como en un lenguaje basado en texto, las instrucciones de
control se representan como nemónicos. Se requiere de un nivel de experiencia
avanzado para utilizar esta opción de edición.
El editor STL puede utilizarse para ver o editar programas creados por el editor LAD o
FBD, lo contrario no siempre es cierto.
Lógica Escalera (LAD)
El editor muestra el programa como una representación grafica similar a un diagrama de
cableado eléctrico. Permite emular el flujo de corriente de una fuente a través de una
serie de condiciones de entrada lógicas que en su defecto habilitan condiciones lógicas
de salida, ver figura 54.
El riel vertical que se muestra a la izquierda se encuentra energizado, los contactos que
se cierran permiten el paso de la corriente a través de ellos hacia el siguiente elemento,
los contactos que se encuentran abiertos bloquean el flujo de corriente.
La lógica está organizada en redes “Networks”, el programa ejecuta una red a la vez, de
izquierda a derecha y de arriba abajo.
Las tres formas básicas que se utilizan son :
-
Contactos : Representan condiciones lógicas de entrada como botones, switches
o condiciones internas.
-
Bobinas “Coils” : Representan salidas como lamparas, arracadores, relevadores
intermedios o condiciones de salida internas.
-
Cajas : Representan instrucciones adicionales como contadores, timers o
instrucciones matemáticas.
32
Figura 54. Representación gráfica
Función Block Diagram (FBD)
Este editor despliega el programa como una representación de diagrama de compuertas
lógicas, no existen contactos o bobinas, pero hay instrucciones equivalentes que
aparecen como cajas.
Figura 55. Diagrama de compuertas lógicas
Direccionamiento Simbólico de Variables
La tabla de símbolos permite definir y editar un nombre simbólico a las variables, ver
tabla 4. Una referencia simbólica utiliza una combinación de caracteres alfanuméricos
para identificar una dirección de memoria.
Tabla 4. Tabla de símbolos
33
Monitoreo y Forzamiento
La tabla de estado “Status Chart” permite monitorear los valores de las variables de
proceso en tiempo de ejecucion del programa, tambien permite forzar o cambiar los
valores de las variables de proceso, ver tabla 5.
Tabla 5. Tabla de símbolos
34
CAPÍTULO V
DESARROLLO DEL PROYECTO
El siguiente proyecto es una propuesta de solución para evitar derrames en los tanques,
que consistió en estudio de los dispositivos que se usan en la automatización y aprender
a realizar dibujos en 3D utilizando el software de AutoCAD, para esta tarea se nos
proporcionaron manuales y una computadora con acceso a internet y el software de
AutoCAD.
Para el diseño se realizo un levantamiento del proyecto, se estudio el área de materias
primas y se pidieron algunos documentos para poder empezar a trabajar en el proyecto
el cual se llamo cero derrames. En esta misma semana se realizaron todos los trámites
que el cliente nos pedía para poder entrar a sus instalaciones.
Se diseño el sistema de control de derrames el sistema se muestra en el diagrama img01 que se muestra en el apéndice A. Este sistema se diseño considerando el control de
nivel y tomando en cuenta las medidas de seguridad del sistema, el cual se llego al
acuerdo de utilizar un botón de arranque y paro de la bomba de descarga de la pipa el
encendido del motor debería tener un retardo de encendido para evitar que el motor de
la bomba se accionara instantáneamente cuando el rotor aun estuviera girando, se
acordó utilizar un switch de nivel para desactivar el la bomba cuando el tanque se
llenara, para evitar que la tubería llegara a estallar por presencia de una presión alta se
acordó utilizar un switch de presión al momento de que esta se accionara la bomba se
debe de apagar, también se acordó utilizar lámparas indicadoras para avisar al operador
cuando el tanque este lleno y cuando la bomba se desactivo por que existía una alta
presión en la tubería. También se diseño la trayectoria de la tubería conduit para poder
instalar el sistema de control de niveles las trayectorias se muestran en los diagramas
IMG-06 y IMG-07 en el apéndice F y G respectivamente. Una vez ya diseñado el
sistema se elaboro la documentación necesaria para la elaboración del sistema en cual se
realizaron diagramas eléctricos de control y fuerza se actualizo el diagrama unifilar del
CCM de materias primas y se realizaron los planos constructivos de la tubería conduit y
diagramas típicos de conexión de los instrumentos. Cotización y manual de usuario del
sistema, una vez terminada la documentación se reviso a detalle y después se entrego al
cliente donde se realiza una última revisión.
35
Se realizaron las modificaciones en los planos constructivos y se elaboro el programa
del SLC-500 el cual se muestra en el diagrama IMG-00 como se ve en el apéndice I, el
diseño del programa se logro con la ayuda de un Layout List el cual de muestra en el
diagrama L-L1 en el apéndice H. Una vez aprobado el proyecto se realizo una visita de
obra donde se explico la trayectoria del tubo conduit.
Diagramas de conexión de SLC-500 se muestra en los diagramas, IMG-2, IMG-3, IMG4 y IMG-05 como se puede ver el apéndice B, C, D y E.
36
CAPÍTULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• En general las instalaciones se encuentran en buen estado y la recomendación es
atender los siguientes puntos, para evitar paros innecesarios. A la vez que se
sugiere realizar un segundo análisis para verificar la efectividad de las acciones
realizadas.
ü Puntos de temperatura altos
ü Revisión cada cuatro meses, mínimo dos por año
ü Modificar la instalación eléctrica (cableado) por cables de cobre y del
calibre requerido de acuerdo al voltaje y corriente que se consume
ü Implementar un programa real de mantenimiento preventivo
ü Capacitación constante al personal que maneja el mantenimiento
37
APENDICE A
APENDICE B
38
APENDICE C
APENDICE D
39
APENDICE E
APENDICE F
40
APENDICE G
APENDICE H
41
APENDICE I
PROGRAMA DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL.
IMG-00
Programa principal LAD2.
SUB-RUTINA SBR3.
.
JUAN JOSE RAMOS PARRA.
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CURRÍCULUM VITAE
Juan José Ramos Parra, Fecha de nacimiento: 5 de Diciembre de 1986, lugar de
nacimiento: Santiago de Querétaro, Dirección: Tempano. #101.Col. El Roció, CURP:
RAPJ861205HQTMRN00, Código postal: 76117, Teléfono: 2 200720, Celular:
(044)4423539650, Correo electrónico: [email protected]
Formación acaémica CECITEQ (2004 – 2007), cursos profesionales, Centro de
Capacitación para el Trabajo Industrial número 17. (2008), Aplicación de soldadura
SMAW (soldadura por arco eléctrico con varilla metálica revestida), Diploma Centro
de Capacitación para el Trabajo Industrial número 17. (2004), Dibujo Asistido por
Computadora (Autocad 2D y 3D). Constancia Centro de Capacitación para el Trabajo
Industrial número 17. (2004) , Mantenimiento a motores eléctricos, Diploma Centro de
Capacitación para el Trabajo Industrial número 17. (2004), Instalaciones eléctricas
residenciales
e
industriales.
Constancia.
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
Conocimientos de PLC siemens y PLC Allen Bradley, LEKITEQ INDUSTRIALES,
S.A. DE C.V. (2008), Aplicación de mantenimiento TPM en Máquinas de Inyección
de Plástico, CONOCIMINETOS INFORMÁTICOS, Microsoft office, Autocad, step7
para S7-200, logo soft confort, rslogix 500, IDIOMAS, Inglés comprensión de textos
40%, APTITUDES, Trabajo en equipo, capacitación continua.
43
REFERENCIAS.
http://www.angelfire.com/oz/omitami/PLC.htm
http://www.kentron.com.ve/novedades/automatizar_todo.htm
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