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XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA – VISIÓN 2012

AUTOMATIZACION E IMPLEMENTACION DE SISTEMA SCADA PARA LINEA PILOTO DE EMBOTELLADO DE PISCO CATEGORIA: Pre grado: Estudiantes

ESPECIALIDAD: Ingeniería Industrial

ÁREA TEMÁTICA: Automatización y Control de Procesos Industriales

AUTORES: (1)Juan Diego García Guerra, Escuela Profesional de Ingeniería Industrial. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martín de Porres. Perú. [email protected] (2)Ricardo Ormeño Terreros, Escuela Profesional de Ingeniería Industrial. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martín de Porres. Perú. [email protected] (3)Gianfranco Torres Calero, Escuela Profesional de Ingeniería Industrial. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martín de Porres. Perú. [email protected] (4)Diego Miramira Quispe, Escuela Profesional de Ingeniería Industrial. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martín de Porres. Perú. [email protected] ASESOR: (1)Jorge Calderón Cáceres, Escuela Profesional de Ingeniería Industrial. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martín de Porres. Perú. [email protected]

ÍNDICE

RESUMEN ........................................................................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................. 4 DESARROLLO DEL PROYECTO .................................................................................................................. 5 Justificación .................................................................................................................................................. 5 Viabilidad ...................................................................................................................................................... 5 Fundamentos Teoricos .................................................................................................................................. 6 Unidades Locales de Control ........................................................................................................................ 8 Viabilidad ...................................................................................................................................................... 5 Supervision de Procesos Industriales ............................................................................................................ 9 Comunicaciones Industriales ...................................................................................................................... 10 Materiales, Metodos y Tecnologias Usadas ................................................................................................ 13 Materiales ............................................................................................................................................... 13 Vision General del Proyecto ................................................................................................................... 15 Zona de alimentacion de botellas ...................................................................................................... 16 Zona de transporte ............................................................................................................................. 18 Zona de llenado ................................................................................................................................. 20 Zona de encorchado........................................................................................................................... 20 Zona de sellado .................................................................................................................................. 22 Zona de evacuacion ........................................................................................................................... 22 Tiempos de producción........................................................................................................................... 25 Tecnologia y Metodos ............................................................................................................................ 25 El PLC: Instalacion y Configuracion................................................................................................. 25 S7-1200: Servidor Web Incorpordado ............................................................................................... 26 Programacion del PLC ...................................................................................................................... 27 Estructura del Sistema SCADA......................................................................................................... 30 SCADA y WEB SERVER ................................................................................................................ 31 RESULTADOS ............................................................................................................................................... 42 CONCLUSIONES........................................................................................................................................... 43 RECOMENDACIONES ................................................................................................................................. 43 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................................................ 45 ANEXO ........................................................................................................................................................... 46

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RESUMEN Cada vez está más presente la necesidad de las empresas por apostar en tecnologías para automatizar su producción. El fin es obtener una alta competitividad en el mercado, ya que se reducen tiempos de ciclo, se aumenta la flexibilidad, así como la calidad del producto y la seguridad en la fabricación. Se ha podido observar que existen excelentes avances en el proceso de embotellado de pisco en el laboratorio de proceso industriales de la FIA USMP, antes no se poseía un modulo de embotellado de pisco, es por ello que ante la iniciativa de alumnos durante el semestre 2011 – II es que se agiliza este proceso dejando el punto de partida para la mejora de dicho proceso, es ahí donde nuestro equipo de trabajo toma la iniciativa de poder optimizar y darle un giro a la automatización con la inclusión de un PLC de mayor prestaciones, así como la incorporación de dos estaciones de trabajo, tanto para la alimentación, como para la evacuación de las botellas de pisco (mediante el uso del brazo robótico KUKA). Todo esto seria considerado como un “upgrade” de dicho proyecto, pero la inclusión de un sistema SCADA, así como el uso de un web server propio del PLC, le da una visión industrial más completa al mismo, permitiéndonos ya de hablar de una estación de trabajo tipo planta piloto que permitirá aplicar diversos conocimientos adquiridos en la formación del ingeniero industrial de la FIA USMP. Como consecuencia de todo ello, es que se logra disminuir el tiempo de ciclo del proceso de 3.51 min/botella a 2.09 min/botella (una reducción en el orden del 40%) con la opción de aun poder mejorar este ratio con la incursión de nueva tecnología en la estación con mas demora y de esta manera mejorar dicho tiempo hasta en un 50% aproximadamente.

ABSTRACT

This is increasingly the need for companies to gamble on technologies to automate their production. The aim is to obtain a highly competitive market, thanks to reduced cycle times, increasing the flexibility and product quality and safety in manufacturing. It was observed that there are great advances in the process of pouring pisco in the laboratory of industrial process USMP FIA, not previously owned a pisco bottling module, which is why at the initiative of students during the semester of 2011 - II is speeding up this process leaving the starting point for improving the process, that is where our team takes the initiative to enhance and give a turn to automation to include higher performance PLC, and the incorporation of two workstations, both for food and for the disposal of the bottles of pisco (using KUKA robotic arm). All this would be considered an "upgrade" of the project, but the inclusion of a SCADA system and the use of a web server PLC itself, gives a complete machine vision to it, and allowing us to speak of a station type pilot plant work that will apply various knowledge acquired in industrial engineering education FIA USMP. As a consequence of this is that they managed to decrease the cycle time of 3.51 min /bottle at 2.09 min/bottle (a reduction in the order of 40%) with the option to improve this ratio even with the incursion of new technology at the station with more delay and thus improve the time up to 50%.

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INTRODUCCIÓN Cada vez está más presente la necesidad de las empresas por apostar en tecnologías para automatizar su producción. El fin es obtener una alta competitividad en el mercado, ya que se reducen tiempos de ciclo, se aumenta la flexibilidad, así como la calidad del producto y la seguridad en la fabricación. (OPTI 2008) De forma general, se puede decir que la automatización industrial consiste en el uso de sistemas o elementos computarizados (PLC’s, PC’s, etc.) para controlar maquinarias y/o procesos industriales. Con el objetivo de llevar a cabo un sistema SCADA que controle el proceso del prototipo del proyecto, se necesita conocer cuestiones tales como: la tecnología que se utilizará, el modelo de automatización que se seguirá, el tipo de procesos que se tratarán o la red de comunicación que se realizará. Así pues, en este informe se introducirán los aspectos teóricos necesarios para fundamentar las tareas a realizar durante el proyecto. En la actualidad las empresas están bajo un entorno competitivo constante, con el fin de lograr un posicionamiento y permanencia en el mercado; para ello recurren a indicadores y métodos de mejora continua que implementan a medida del avance de la tecnología para la mejora de procesos. En el área Industrial se recurre a lo que llamamos Automatización Industrial, la cual es una disciplina de la Ingeniería que hace referencia al uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. El presente trabajo ha sido elaborado por los alumnos de la escuela de Ingeniería Industrial de la Universidad de San Martín de Porres, presenta la parte inicial del Proyecto elegido por el equipo, el cual hace referencia a: “Automatización e implementación de sistema SCADA para prototipo de línea de embotellado de Pisco”; nace con la necesidad de implementar un proceso de automatización con fines de mejora de producción, reducción de tiempos ociosos, y otros indicadores de mejora que requieren las empresas del rubro.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Automatizar el prototipo de llenado, encorchado y encapsulado de pisco gobernado por un PLC de mayores prestaciones, a su vez adicionar un sistema de alimentación de botellas y evacuación de las mismas, implementar un sistema SCADA en el prototipo de línea de embotellado.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Optimizar el sistema principal ya existente con estaciones de trabajo que agilicen el proceso, agregando la estación de alimentación de botellas. Mejorar los indicadores de producción y estándares de calidad del proceso de embotellamiento de pisco. Comprender e implementar en un caso real lo aprendido a lo largo del curso de Automatización Industrial.

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DESARROLLO DEL PROYECTO

JUSTIFICACIÓN El equipo de trabajo realizó las investigaciones pertinentes y propone un proyecto para automatizar todo el proceso del prototipo de planta de llenado de Pisco. Para dar respuesta a las necesidades expuestas, se plantea el diseño de un sistema SCADA, con tres niveles diferenciados: 

Nivel de proceso, o de campo: Compuesto por la instrumentación de campo (sensores y actuadores) y los elementos de proceso (tanques, evaporadores, etc.).



Nivel de control: Compuesto por: PLC S7-1200 (Siemens): En él se implementarán funciones de lógica secuencial programada.



Nivel de supervisión: Aplicación SCADA, implementada mediante el software industrial InTouch.

Existirá una mejora en los indicadores de producción.

VIABILIDAD

A) Viabilidad Técnica El 50% de los integrantes cuentan actualmente con formación técnica que les va a permitir elaborar en la totalidad la programación del proceso en el PLC así como el diseño del sistema SCADA. Para lograr una mayor eficacia y eficiencia existe un cronograma de tareas establecido. Se posee una lista de materiales y equipos a utilizar que se especificará de forma general. El riesgo de desarrollo se evaluará de acuerdo a las proyecciones de costeo. B) Viabilidad Económica Los integrantes del grupo se encuentran trabajando en conjunto para solventar el proyecto y se cuenta con la ayuda de la universidad como intermediario para la adquisición de algunos materiales y equipos. Ya que es un proyecto de mejora de producción se realizará un estudio de financiamiento en el cual se verá reflejado los resultados a obtener. C) Viabilidad Operativa El proyecto va a ser flexible de principio a fin, sujeto a cambios de acuerdo a las situaciones que se presenten día a día, pero siguiendo un estándar establecido, se contará con un cronograma de tareas que nos ayudará a mantener un control administrativo y control de operaciones.

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D) Alternativas Dentro de las alternativas de solución para alcanzar los objetivos del proyecto están el hecho de contar con diversos proveedores que tienen trato directo con la FIA USMP, aprovechando dichas relaciones se optará por buscar soluciones a medida que nos permita ejecutar el proyecto de manera viable.

Fig. 1. Nuevo concepto de productividad.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS Cada vez está más presente la necesidad de las empresas por apostar en tecnologías para automatizar su producción. El fin es obtener una alta competitividad en el mercado, ya que se reducen tiempos de ciclo, se aumenta la flexibilidad, así como la calidad del producto y la seguridad en la fabricación. (OPTI 2008). AUTOMATIZACIÓN INTEGRADA La automatización integrada surge debido a las exigencias de los procesos de producción, así pues, un modelo de automatización debe: Permitir la descripción de todos los aspectos del ciclo de vida del sistema, abarcando todos los conceptos involucrados en el proceso. Incorporar diferentes puntos de vista para describir por completo el proceso productivo, tales como información y control, equipos, mano de obra, organización gerencial así como las relaciones con otros procesos. Ser independiente de la tecnología existente. Estar abierto a la estandarización. Además tiene que aportarnos los siguientes beneficios: Presentar una visión completa del proceso de automatización. Permitir determinar el mejor método para la automatización.

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Considerar la asignación errónea de recursos o fallas en el proceso. La creación de diferentes arquitecturas a partir de modelos referenciales basados en las principales ventajas de las mismas. MODELO DE AUTOMATIZACIÓN PIRAMIDAL Es el modelo más difundido en el ambiente de producción continua por la ISO5, consta de cinco niveles que abarcan las diferentes funciones de una planta coordinada de manera jerárquica, cubriendo desde los aspectos de control de los procesos físicos en su nivel más bajo, hasta los niveles donde se realizan las funciones corporativas de la planta. Cada nivel se caracteriza por un tipo de información y de procesamiento diferente, siendo necesaria la integración del proceso automatizado para incluir la comunicación interna en cada nivel, y entre niveles, con el fin de lograr sistemas que permitan ejecutar las diferentes tareas de control existentes en una empresa.

Fig. 2. Modelo de automatización piramidal

En la capa campo se realizarán tareas de: captación, mediante sensores de las medidas de las variables de proceso; y acondicionamiento de las señales de control que se envían a los actuadores. En la capa de control se realizarán tres tareas: la primera de control secuencial de procesos batch; la segunda de regulación de variables de proceso; y la tercera de configuración de un bus de campo. Para realizar dichas tareas, un PLC S7-1200. En la capa de supervisión se configurará una red de supervisión, y se utilizará un PC para implementar el software SCADA.

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UNIDADES LOCALES DE CONTROL Las unidades básicas de control deben cubrir las siguientes características:

Controlar un proceso, subproceso a nivel secuencial Soportar condiciones de trabajo extremas. Debe estar localizado cerca a la planta

Deben ser programables y configurables

Fig. 3. Unidades de control.

PLC Es la sigla de Programmable Logical Controller en inglés o Controlador Lógico Programable en español. Un conocido fabricante de estos dispositivos registró la palabra PLC, la cual ha quedado como genérica para referirse a los Controladores Programables, nombre correcto para estos dispositivos. La palabra Lógico ya no se emplea ya que hace tiempo que estos equipos no sólo se limitan al control lógico. En definitiva, estos elementos son Controladores para uso en máquinas y procesos industriales, los cuales se pueden programar para la aplicación específica. Por sus características, son ampliamente utilizados para el control de procesos y máquinas cuando la cantidad de éstas no sea muy grande, ya que de lo contrario el mercado ofrecerá controladores específicos no programables, sino sólo útiles para la aplicación diseñada.

ESTRUCTURA DE UN PLC Los PLCs actuales se pueden clasificar en función de dos criterios. Por un lado, según su configuración externa, la cual reflejará de qué manera y dónde están colocados los distintos elementos que componen el autómata programable. Por otro lado, se distinguirán según su estructura interna, que reflejará cuáles son dichos componentes. El término estructura externa hace referencia al aspecto físico del PLC, como son sus elementos, en cuántos está dividido, etc. Actualmente son tres las estructuras más significativas del mercado: 1.

Estructura compacta Los autómatas que siguen esta estructura se caracterizan por llevar en un solo bloque todos sus elementos (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.). Generalmente son autómatas de gama baja o nano-autómatas. Su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas pequeñas o cuadros de mando. El PLC que poseía el sistema de embotellamiento pertenecía a esta clasificación.

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Fig. 4. Nano PLC TECO SMART. 1) E s Estructura semi-modular: Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata. Así pues, en un bloque compacto encontraremos la CPU, la memoria y la fuente de alimentación. Podríamos generalizar diciendo que los autómatas de gama media suelen responder a una estructura semi-modular.

2) Estructura modular: Existe un módulo para cada uno de los componentes del PLC. La sujeción de los mismos se hace mediante carril normalizado, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el bus externo de unión de los distintos módulos que lo componen. Podemos generalizar diciendo que son autómatas de gama alta. El PLC utilizado en este proyecto corresponde a esta estructura. En cuanto a la estructura interna, distinguiremos entre los componentes básicos y los necesarios para que el sistema sea operativo. De los componentes básicos destacamos la CPU y las Entradas y Salidas. Teóricamente con dichos elementos ya se tendría un autómata, pero es intuitivo ver que sin otros componentes tales como una fuente de alimentación, los primeros no son operativos. La CPU es la parte inteligente del sistema e interpretará las instrucciones del programa usuario. Estará compuesta por un Procesador, una Memoria, y por Circuitos auxiliares (como una ALU, los Flags, el Contador de Programa, etc.). Otros componentes como la Fuente de Alimentación, las interfaces de las E/S o los dispositivos periféricos complementan la estructura interna de un PLC y le hacen adoptar cierta operatividad, en muchos casos adaptable al tipo de proceso a controlar.

SUPERVISIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES SISTEMAS SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION) Los sistemas SCADA proveen de una perspectiva integrada de todos los recursos de control e información de la planta. De esta manera, los ingenieros, supervisores, u operadores pueden visualizar e interactuar con los procesos mediante representaciones gráficas de los mismos. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros sectores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc., en un marco de modelo de automatización piramidal. (TECMES s.f.) Las características básicas de un sistema SCADA son las siguientes: Adquisición y almacenado de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida de forma continua y confiable. Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de éstas por medio de alarmas. Ejecutar acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas. Arquitectura abierta y

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flexible con capacidad de ampliación y adaptación. Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación (i.e. MS Excel, SQL) Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control. Transmisión de información con dispositivos de campo y otros PC. Base de datos, gestión de datos con bajos tiempos de acceso. Suele utilizar ODBC. Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador o HMI (Human Machine Interface). Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción y gestión administrativa y financiera. Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios pueden ser almacenados en el sistema para su posterior análisis.

Fig. 5. Diagrama de secuencia en SCADA.

COMUNICACIONES INDUSTRIALES: PROFINET Es el estándar Ethernet abierto que cumple la especificación IEC 61158 para la automatización industrial. PROFINET permite conectar equipos desde el nivel del campo (PLCs y otros dispositivos) hasta el nivel de gestión (sistemas informáticos e internet). PROFINET permite una comunicación homogénea con la ingeniería cubriendo toda la planta industrial y de gestión apoyando las tecnologías de la información hasta el nivel del campo. Actualmente ya se están elaborando soluciones para la aplicación en la automatización de procesos. Los sistemas de bus de campo existentes, p.ej. PROFIBUS, se pueden integrar sencillamente sin tener que modificar los equipos existentes. PROFIBUS o INTERBUS son estándares integrales que cumplen todos los requisitos para el uso de Ethernet en automatización, siendo PROFINET que ha integrado estos dos sistemas. PROFINET integra los sistemas actuales de profibus sin ninguna modificación. Con una explicación sencilla del Concepto que involucra PROFINET, se refiere a la modernización de las redes de campo que incluyen PLCs y los sistemas de Comunicación entre estos dispositivos a la Red Ethernet pero aportando un alto rendimiento en la respuestas y seguridad requeridas en las instalaciones industriales. Pero eso no es suficiente, los sistemas industriales necesitan respuestas inmediatas para actuar y reaccionar a diferentes circunstancias que se llevan a cabo en forma cotidiana o en algunos casos en la aparición de eventos que requieran su rápida actuación. Como ya se cuenta con sistemas interconectados ya sea dentro de todo el proceso industrial, como lo que se refiere a los sistemas de gestión que interactúan en la misma red, incluso interconectados a la red de internet, mirando todos ellos como un todo que funciona coordinadamente, esto es PROFINET que posibilita a nivel de campo las interconexiones funcionando en el todo coordinadamente.

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SOFTWARE WONDERWARE INTOUCH Wonderware ofrece mediante InTouch la posibilidad de generar aplicaciones SCADA al más alto nivel, utilizando las herramientas de programación orientadas a objetos, para usuarios no informáticos. Seguidamente se analizarán las características más significativas, así como sus prestaciones, que hacen de esta marca un software puntero en la informática industrial. Gráficos orientados a objetos: Las aplicaciones son fáciles de editar y configurar, por lo que representan un menor tiempo de desarrollo. Se puede mover, redimensionar y animar objetos o grupos de ellos como si fueran imágenes estáticas. Dispone de todo tipo de herramientas de diseño: dibujos sencillos, alineación, trabajo en múltiples capas, espaciado, rotación, inversión, duplicación, copia, eliminación, etc. SuitLink / OPC: Es un protocolo de comunicaciones elaborado por Wonderware de muy altas prestaciones para enlace de aplicaciones bajo TCP/IP o PROFIBUS, en el que se pueden configurar clientes OPC. Gráficos de Tendencia Históricos y a Tiempo.

SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN: TIA PORTAL STEP BASIC 10.5 El Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) integra diferentes productos SIMATIC es una aplicación de software que le permitirá aumentar la productividad y la eficiencia del proceso. Dentro del TIA Portal, los productos TIA interactúan entre sí, ofreciéndole soporte en todas las áreas implicadas en la creación de una solución de automatización. Una solución de automatización típica abarca lo siguiente: Un controlador que controla el proceso con la ayuda del programa. Un panel de operador con el que se maneja y visualiza el proceso.

Fig. 2. Conexión TIA Portal / Hardware / Proceso.

Con el TIA Portal se configura tanto el control como la visualización en un sistema de ingeniería unitario. Todos los datos se guardan en un proyecto. Los componentes de programación (STEP 7) y visualización (WinCC) no son programas independientes, sino editores de un sistema que accede a una base de datos común. Todos los datos se guardan en un archivo de proyecto común.

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Para todas las tareas se utiliza una interfaz de usuario común desde la que se accede en todo momento a todas las funciones de programación y visualización. SIMATIC STEP 7 V11 proporciona potentes editores para programar los controladores SIMATIC S7. También se aprecian las siguientes características: Texto estructurado (SCL), esquema de contactos (KOP) y diagrama de funciones (FUP) están disponibles para todos los controladores. Lista de instrucciones (AWL) y programación secuencial (GRAPH, SFC) adicionales para las familias de controladores S7-300, S7-400 y WinAC. PROCESOS A AUTOMATIZAR Por proceso se entiende aquella parte del sistema en que, a partir de una entrada de material, energía e información, se genera una transformación sujeta a perturbaciones del entorno, dando lugar a una salida de material en forma de producto. Los procesos industriales se dividen en procesos continuos, procesos discretos y procesos por lotes o batch. En este apartado se darán a conocer los dos tipos de proceso que intervienen en el proceso productivo de la planta piloto. PROCESOS BATCH Podemos ver los procesos batch como aquellos que nos permiten implementar una secuencialización de operaciones. Un aspecto destacado de éstos es la utilización de recetas (recipes). Cada receta describe con toda precisión cada uno de los lotes a fabricar o controlar, convirtiéndose en un elemento de primer orden de cualquier control de proceso por lotes. Los procesos batch responden perfectamente a las nuevas tendencias del mercado en el sentido de que permiten la producción flexible, es decir, la fabricación de pequeños volúmenes de productos muy diferentes, sin apenas cambios en las instalaciones y equipos. En principio, cambiando la receta de ingredientes y las condiciones de procesado pueden fabricarse productos diversos, lo que permite a los proveedores responder rápidamente a las necesidades cambiantes de sus clientes. Esto también facilita el establecimiento de controles, tanto de los equipos e instalaciones empleados, como de los lotes fabricados (en principio, toda la cantidad de producto de un mismo lote tiene idénticas características, permitiendo asignar un código identificativo que facilita su trazabilidad posterior), lo que es de gran ayuda a la hora de establecer sistemas de aseguramiento de la calidad y la seguridad. Los procesos por lotes están presentes en una amplia variedad de sectores industriales tradicionales: industria química, de alimentación, farmacéutica, etc., así como en nuevos sectores tecnológicos como el de la biotecnología: reactores de depuración de aguas, procesos de fermentación en biorreactores, etc. El proceso productivo de la planta piloto del proyecto está dividido en siete etapas, las cuales todas pertenecen a este proceso ya que tienen retroalimentación. Cada proceso completo conformará un lote, resultante de la receta del proceso batch.

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MATERIALES, MÉTODOS Y TECNOLOGÍAS USADAS

MATERIALES

Tabla 1. Materiales y equipos a utilizar.

DESCRIP.

CANT.

MATERIAL

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Pistón basculante de mesa giratoria

1

Aluminio

Doble efecto (32x100 de carrera)

Mesa rotatoria

1

Acrílico

40 cm de diámetro

Soporte de pistón de alimentación

1

Ángulos SAE 1010

60 x 60 (cm)

Pistón de alimentación

1

Aluminio

32 diam x 350 longitud (doble efecto con amortiguamiento

Riel de alimentación

1

Acero Inoxidable

370x8x11 (mm)

Armazón del sistema de alimentación

1

Barra SAE 1010

60x60 (cm)

Plancha cóncava

1

Acero inoxidable

10.5 x 6.5 (cm)

Electroválvula

2

Solenoide: Plástico Válvula: Acero

5/3 vías entrada 1/4

Electroválvula

1

Solenoide: Plástico Válvula: Acero

5/2 vías monoestable

Mangueras azules

30

Plástico

metro N° 6

Conector con estranguladores

10

Metal con recubrimiento de plástico

10 mm de Diámetro x 20 mm de alto

OBSERVACIÓ N

controla el giro de la mesa rotatoria

13

Sensores capacitivos

7

Metal

Diámetro 15 mm x 70 mm

Sensores magnéticos

6

Plástico

3 x2x20 (mm)

3

Aluminio

32x32x150 (mm)

Pistón vertical

1

Aluminio

32x200x32 (mm)

Mordaza

1

Plancha

7½x4 75x40x5

Ejes calibrados

4

Metal

(2) 5x250 mm, (2) 5x60 mm

Rodaje

2

Metal

Perno Socket

16

Metal

¼“

Gripper

1

Aluminio

Pistón de aluminio, Pinzas (2), Barra de aluminio

Conector

3

Pistón vertical

Contactor PLC SIMATIC S7 – 1200 con modulo de expansión

¼” de entrada

2

Metal y plástico

24 DC De 9 y 18 Ampere

1

Plástico con tarjetas electrónicas

24 DC. 24 entradas 22 salidas

Control de resistencia del horno y motor de faja

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VISIÓN GENERAL DEL PROYECTO La planta a automatizar en este proyecto consta de las siguientes zonas de trabajo: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Zona de alimentación de botellas. Zona de transporte. Zona de llenado. Zona de encorchado Zona de encapsulado. Zona de sellado. Zona de evacuación de botellas (Robot Kuka).

Fig. 3. Visión general del sistema SCADA.

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Zona de alimentación de botellas:

a) Funcionamiento: Al girar la mesa por acción del pistón basculante, los espacios son evaluados por el capacitivo del riel de alimentación; si el sensor capacitivo detecta que no hay botella entonces el pistón alimentador se extiende empujando una botella a la mesa y al detectar el sensor que hay botella el pistón basculante se extiende girando la mesa y así evalúa siempre cada espacio. Al otro extremo el capacitivo de la faja principal evalúa la presencia de botella, si hay el brazo neumático se extiende y coge la botella hacia la faja principal, en caso que se dé simultáneamente que no haya botella en el lado alimentador y si haya en el lado de la faja principal, el trabajo se realiza en simultáneo, solo puede haber una botella en la faja principal, cuando el sensor al final de la faja principal detecte que ya la botella esta lista (llena, encorchada y encapsulada) hará que el basculante se mueva para evaluar los espacios. La estación de alimentación consta de las siguientes partes: Riel alimentador. Pistón basculante. Mesa giratoria. Brazo mecatrónico. b) Implementación Se preparó el diseño de la mesa de alimentación.

Fig. 4. Vista superior zona de alimentación.

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Fig. 5. Vista Frontal de zona de alimentación.

Fig. 6. Avances en taller.

Se recopilaron los materiales y equipos necesarios para completar la instalación. Se conectó un soporte para la mesa de alimentación que le otorgue estabilidad al sistema y fijar la posición del pistón basculante.

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Fig. 7. Armadura de soporte.

Se elaboró la armadura que sujeta al pistón de alimentador. Se conectó un riel de alimentación que une la armadura con la mesa giratoria.

Fig. 8. Mesa de alimentación ensamblada.

Zona de Transporte

a) Funcionamiento Este proceso consiste en el trasladar la botella desde la mesa de alimentación hasta la faja transportadora. b) Implementación Se procedió a realizar la elaboración del plano de brazo neumático.

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Fig. 9. Plano de brazo neumático.

Se recopilaron los materiales necesarios. Se procedió a soldar y unir los elementos diseñados Se elaboró una armadura para conectar el brazo robótico con la estructura principal de la faja transportadora.

Fig. 11. Prototipo virtual en AutoCAD 2012.

Fig. 10. Diseño realizado e implementado.

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Zona de llenado Este proceso consiste en trasladar la el pisco desde el tanque de alimentación al área de llenado para lo cual se contará con un sensor capacitivo el cual detectará la botella, seguidamente se activará un cilindro, el cual detendrá la botella y luego mediante un cilindro de doble efecto trasladará la alimentación de pisco hacía el pico de la botella.

Fig. 12. Zona de llenado

En la figura se muestra (1) el pistón que empuja la botella, (2) tubo llenado de líquido, (3) Conexión del tanque de alimentación al sistema.

Zona de encorchado La botella se traslada por la faja de alimentación y se detiene en la estación para ser encorchada (4), se extiende el pistón que detendrá el pico de la botella (2), y del punto (3) cae un corcho y es presionado para finalmente colocar el corcho. Cuando la botella está lista se retraen los pistones y el proceso continúa. No hay tiempo de espera, se tiene un sensor independiente para todas las estaciones.

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Fig. 13. Zona de encorchado.

Zona de encapsulado La botella se desplaza por la faja transportadora y llega a la estación de trabajo donde se detiene y mediante un pistón bajan las capsulas termoencogibles.

Fig. 14. Zona de encapsulado.

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Zona de sellado

La botella se desplaza a esta área donde se tiene la temperatura de sellado (entre 80 a 105°C), y se obtiene el producto final.

Fig. 20. Zona de sellado.

Zona de evacuación

La botella llega sellada y mediante un gripper (herramienta de manipulación, intercambiable según la aplicación necesaria) y el Robot Kuka, se procedes al sistema de evacuación de botellas, para poder adquirir los respectivos lotes de producción.

Fig. 21. Sistema de evacuación de botellas.

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Planos de gripper:

Fig. 22. Mordaza móvil de gripper de sujeción.

Fig. 23. Mordaza fija de gripper de sujeción.

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Fig. 23. Prototipo virtual de gripper de sujeción.

Fig. 24. Vista panorámica de la línea piloto de embotellado de pisco.

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TIEMPOS DE PRODUCCIÓN Anteriormente con el modulo se había conseguido un tiempo de ciclo en el orden de los 4 min/botella aproximadamente, ello se debió a que ante las limitantes técnicas del controlador que poseía dicho modulo, las estaciones de trabajo (zonas) dependían del mayor tiempo que era en la zona de llenado, por consecuencia las demás zonas (encorchado, encapsulado) dependían y tenían el mismo tiempo, haciendo de esto un proceso lento. Con la mejora técnica que se le aplico al modulo, este paso a ser una línea piloto de embotellado, se logro también con la incursión del PLC S7 – 1200 el independizar las zonas de trabajo con tiempo adecuados a su necesidad, es decir ajustados al tiempo exacto que requería cada una de las zonas, con esto el tiempo de ciclo disminuyo drásticamente a 2.09 min/botella, con la capacidad de poder aun ser mejorado.

TECNOLOGÍA Y MÉTODOS Se presentarán las tecnologías y materiales utilizados para poder realizar el proyecto. Su estructura es la siguiente: en primer lugar se expondrá la instrumentación de control que intervienen en el proceso; seguidamente se conocerá, de manera general, el software necesario para poder realizar el sistema SCADA; por último, se verá cómo se ha configurado la red a nivel de campo y la red a nivel de supervisión. Tecnología: Hardware. En este apartado presentaremos los elementos más destacados que participarán en el control de la planta. Para realizar el sistema SCADA se utilizarán, como unidades de control local a nivel de control, un PLC. EL PLC INSTALACIÓN Y CONFIGURACIÓN El PLC usado para este proyecto es el tipo S7 – 1200. El controlador compacto SIMATIC S7-1200 es el modelo modular y compacto para pequeños sistemas de automatización que requieran funciones simples o avanzadas para lógica, HMI o redes. Gracias a su diseño compacto, su bajo coste y sus potentes funciones, los sistemas de automatización S7-1200 son idóneos para controlar tareas sencillas. El controlador S7-1200 ofrece la flexibilidad y potencia necesarias para controlar una gran variedad de dispositivos para las distintas necesidades de automatización. Gracias a su diseño compacto, configuración flexible y amplio juego de instrucciones, el S7-1200 es idóneo para controlar una gran variedad de aplicaciones. La CPU incorpora un microprocesador, una fuente de alimentación integrada, circuitos de entrada y salida, PROFINET integrado, E/S de control de movimiento de alta velocidad y entradas analógicas incorporadas, todo ello en una carcasa compacta, conformando así un potente controlador. Una vez cargado el programa en la CPU, ésta contiene la lógica necesaria para vigilar y controlar los dispositivos de la aplicación. La CPU vigila las entradas y cambia el estado de las salidas según la lógica del programa de usuario, que puede incluir lógica booleana, instrucciones de contaje y temporización, funciones matemáticas complejas, así como comunicación con otros dispositivos inteligentes.

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Fig. 25. PLC S7 – 1200 de Siemens.

S7 – 1200: Servidor Web Incorporado. El servidor web ofrece a la página web acceso a datos de la CPU y datos de proceso de la CPU. Se incluye un conjunto de páginas web estándar en el firmware de la CPU. Con estas páginas web, se puede acceder a la CPU con el navegador web del PC. Las páginas web estándar permiten llevar a cabo diversas funciones, a saber: Se puede cambiar el modo de operación (STOP y RUN) de la CPU. Se puede controlar y modificar el estado de las variables PLC. Se puede visualizar y cargar cualquier registro que recopile la CPU. Se puede ver el búfer de diagnóstico de la CPU. El servidor web también permite crear páginas web definidas por el usuario que pueden acceder a los datos de la CPU. Estas páginas se pueden desarrollar con el software para crear contenido HTML que se desee usar. Se pueden introducir comandos "AWP" (Automation Web Programming) predefinidos en el código HTML para acceder a los datos de la CPU. Se puede usar cualquier navegador web que soporte HTTP versión 1.1.

Fig. 26. Topología de red del PLC S7 - 1200.

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Fig. 27. Partes principales del PLC S7 - 1200.

Procedimiento de montaje en el proyecto:

1) Se unió el CPU del PLC con módulo de expansión y la fuente de alimentación.

2) Se procedió a anclar el PLC en el tablero de control. 3) Se procedió a cablear las entradas y salidas con sus respectivos sensores y solenoides. 4) Se verificó la continuidad de corriente en cada entrada y salida. 5) Se configuró el PLC a un CPU matriz. 6) Se procedió a instalar el software de control.

PROGRAMACION DEL PLC Para lograr éxito en este apartado hay que seleccionar el tipo de estructura del programa de usuario según los requisitos de la aplicación, es posible seleccionar una estructura lineal o modular para crear el programa de usuario. Un programa lineal ejecuta todas las instrucciones de la tarea de automatización de forma secuencial, es decir, una tras otra. Generalmente, el programa lineal deposita todas las instrucciones del programa en un OB de ciclo (como OB 1), encargado de la ejecución cíclica del programa. Un programa modular llama bloques de función específicos, que ejecutan determinadas tareas. Para crear una estructura modular, la tarea de automatización compleja se divide en tareas subordinadas más pequeñas, correspondientes a las tareas funcionales que se realizan en el proceso. Cada bloque lógico provee el segmento del programa para cada tarea subordinada. El programa se estructura llamando uno de los bloques lógicos desde otro bloque.

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Fig. 28. Programación lineal vs Programación Estructurada.

Diseñando FBs y FCs que ejecuten tareas genéricas, se crean bloques lógicos modulares. El programa de usuario se estructura luego, de manera que otros bloques lógicos llamen estos bloques modulares reutilizables. El bloque que efectúa la llamada transfiere los parámetros específicos del dispositivo al bloque llamado. Cuando un bloque lógico llama otro bloque lógico, la CPU ejecuta la lógica de programa contenida en el bloque llamado. Una vez finalizada la ejecución del bloque llamado, la CPU reanuda la ejecución del bloque que ha efectuado la llamada. El procesamiento continúa con la ejecución de la instrucción siguiente a la llamada de bloque. También se puede asignar un OB a un evento de alarma. Cuando se produce el evento, la CPU ejecuta el código del programa en el OB asociado. Tras finalizar la ejecución del OB, la CPU reanuda la ejecución en el punto del programa de usuario correspondiente al momento en que se produjo el evento de alarma, que podría ser cualquier punto del ciclo.

Fig. 29. Estructura de llamadas de los bloques lógicos.

Las llamadas de bloque pueden anidarse para crear una estructura más modular. En el ejemplo siguiente, la profundidad de anidamiento es de 3: El OB cíclico más 3 niveles de llamadas de bloques lógicos.

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Fig. 30. Profundidad del anidamiento.

Creando bloques lógicos genéricos que pueden reutilizarse en el programa de usuario, es posible simplificar el diseño y la implementación del programa de usuario. Se pueden crear bloques lógicos reutilizables para tareas estándar, tales como el control de una bomba o motor. También es posible almacenar estos bloques lógicos genéricos en una librería, de manera que puedan ser utilizados por diferentes aplicaciones o soluciones. El programa de usuario puede dividirse en componentes modulares para las tareas funcionales, facilitando así su comprensión y gestión. Los componentes modulares no sólo ayudan a estandarizar el diseño del programa, sino que también pueden facilitar y agilizar la actualización o modificación de la lógica del programa. La creación de componentes modulares simplifica la depuración del programa. Dividiendo el programa completo en segmentos de programa modulares, es posible comprobar las funciones de cada bloque lógico a medida que se va desarrollando. Utilizando un diseño modular basado en tareas funcionales específicas se puede reducir el tiempo necesario para la ejecución de toda la aplicación. Para el caso de este proyecto, se utilizo la programación estructura, creando bloques funcionales (FC)) los cuales serán llamados por el bloque MAIN según las necesidades lógicas del programa durante su ejecución. FC Alimentación. FC Transporte. FC Llenado. FC Encorchado. FC Encapsulado. FC Sellado. En el presente documento se anexara la lista de variables y los bloques de programación. (VER ANEXO).

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ESTRUCTURA DEL SISTEMA SCADA

Se utilizará el software InTouch, de la marca WONDERWARE, permitirá realizar el interfaz del sistema SCADA, y también ayudará a realizar un enlace de comunicación entre la información del PC (proveniente del PLC) y la aplicación de supervisión. Para dar respuesta a la funcionalidad requerida, que acabamos de comentar, se ha diseñado un sistema SCADA cuya estructura general se expone en este apartado. La implantación de un sistema SCADA requiere trabajar a tres niveles dentro del entorno piramidal de automatización integrada, permitiendo el intercambio de información entre los elementos de la propia capa o de niveles inmediatamente superior o inferior. Para los diversos niveles, tenemos:

Nivel de Supervisión: Se utilizará un ordenador convencional dotado de hardware adicional y de software industrial. Nivel de Control: Se utilizará un PLC como unidad de control local y realizará tareas de secuencialización de operaciones y de regulación industrial. Nivel de Campo o de Proceso: Conformado por el conjunto de sensores y actuadores presentes en todo el proceso.

Cabe señalar que gracias al uso del PLC S7 – 1200 de Siemens y que este lleve incorporada la interface ETHERNET es que no existe la necesidad de hardware adicional para llevar a cabo la adquisición de datos de campo. Mediante el software OPC Link y Simatic NET 2006. A continuación se muestran las pantallas del sistema SCADA implementado así como del Web Server del PLC y la pagina propuesta para el mismo.

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SCADA y WEBSERVER: Es importante señalar el entorno tecnológico sobre el cual se ejecuta el sistema de control de la línea piloto de embotellado de pisco: Estación de Control

:

Desktop Lenovo Think Center

Procesador

:

Intel Dual Core 2.5 GHZ

Memoria RAM

:

2 GB

Sistema Operativo

:

Microsoft Windows XP SP3

Navegador Web

:

Google Chrome

Software SCADA

:

Wonderware InTouch 10

El sistema de control se inicia con la carga de dos componentes vitales para asegurar la transferencia de datos entre las señales de campo y la estación de control:

Fig. 31. OPC Link.

Luego se corrobora en la barra de tareas que se muestre la siguiente imagen dándole clic a “Station Control Center”, un componente de Simatic NET 2006:

Fig. 32. Station Control de Siemens.

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A continuación se mostraran las diversas pantallas que se cargan al iniciar la aplicación, funcionamiento y ayuda.

Fig. 33. Pantalla de proyectos de InTouch 10.

Fig. 34. Selección de pantallas a lanzar para el control.

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Fig. 35. Pantalla principal de la aplicación.

Fig. 36. Pantalla de estado general del sistema. Cabe señalar que en esta pantalla se tiene una vista general del estado de cada uno de los sensores presentes en la línea piloto, cada uno de ellos tiene un “tooltip” al dejar el mouse sobre ellos, dan una breve indicación sobre la función que cumplen.

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Fig. 37. Vista esquematizada de la línea piloto en el software de control.

Dándole clic a cada zona, se tiene una vista en detalle de lo que esta sucediendo en dicha zona, ello se muestra a continuación:

Fig. 38. Zona de alimentación de botellas.

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Fig. 39. Zona de transporte de botellas.

Fig. 40. Zona de llenado de botellas.

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Fig. 41. Zona de encorchado de botellas.

Fig. 42. Zona de encapsulado de botellas.

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Fig. 43. Zona de sellado de botellas.

Fig. 44. Zona de encajonado de botellas.

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Asimismo el sistema ha sido elaborado pensando en las facilidades que se le debe de dar a la persona encargada de operar el equipo, es por ello que se implemento un sistema de ayuda en pantalla, el cual contiene todas las indicaciones necesarias para trabajar cómodamente con el equipo así como un FAQ que ayuda a solucionar rápidamente algún inconveniente presente en el sistema. Con ello se busca reducir el gasto en capacitación y manuales de TPM para el operario.

Fig. 45. Ayuda en pantalla para la zona de alimentación de botellas.

Fig. 46. Ayuda en pantalla para la zona de transporte de botellas.

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Servidor Web: Una alternativa tecnológica a bajo costo, pensado para las MYPES que quieren incursionar en el control de sus procesos.

Fig. 46. Webserver SIMATIC S7 - 1200.

Fig. 47. Pagina de inicio, estado e información del S7 - 1200.

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Fig. 48. Buffer de diagnostico del S7 - 1200.

Asimismo, el web server tiene la capacidad de almacenar pequeñas paginas webs en formato HTML, htm a fin de llevar un control esquematizado de lo que sucede en nuestra maquinaria.

Fig. 49. Pagina web del usuario.

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Fig. 50. Estado de la línea de producción.

Fig. 51. Contador de botellas finalizadas al momento.

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RESULTADOS En este proyecto logramos reducir considerablemente el tiempo de ciclo del proceso de 4 min/botella a 2.09 min/botella. Se implemento eficientemente un sistema de alimentación lineal de 4 botellas por pasada. Se implemento el sistema SCADA (sistema de control y monitoreo) en el proceso, sistema que nos permitió tener un control en tiempo real de lo que pasa en la línea de embotellado. Se estableció la comunicación vía Ethernet entre nuestro PLC y el centro de control, herramienta que mejora considerablemente la comunicación y reduce los costos de adquisición de hardware para capturar las señales de campo y comunicarlas con la PC. Se implementamos en nuestra programación, un sistema de seguridad correctivo y de mantenimiento en cada estación de la línea. Esto nos permite reducir errores en el proceso y evitar accidentes. Se logro incorporar el robot KUKA, en la evacuación final de las botellas, comunicando a este con nuestro PLC, encajonando un total de 12 botellas por caja. Se ha implementado también una interfaz grafica de control y supervisión gracias al InTouch, que nos permita esquematizar nuestro proceso de una manera amigable para el usuario. Se logro también el monitoreo y control a distancia mediante el web server que nos brinda nuestro sistema, que con tan solo acceder con una dirección IP, desde cualquier dispositivo electrónico conectado a internet, podremos visualizar que está ocurriendo en el proceso en tiempo real. Finalmente, logramos obtener una línea de embotellado completamente automatizada. Un proceso continúo de 12 botellas que son llenadas, encorchadas, encapsuladas, y selladas; para finalmente ser encajonadas por un robot. Experiencia que nos permite hablar ya de procesos industriales completos.

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CONCLUSIONES Se puede concluir en que se ha logrado automatizar totalmente las zonas de trabajo presentes en la línea piloto de embotellado de pisco, incorporando nueva tecnología capaz de establecer comunicaciones entre las señales de campo y una PC a grandes velocidades y con un protocolo estándar (ETHERNET), así como la puesta en marcha de un sistema de control SCADA y web que agiliza y garantiza la correcta performance de la maquinaria, asegurando un control total en tiempo real. La mejora tecnológica aplicada a este proceso a conducido a tener una mejora significativa en el tiempo de ciclo del proceso (de 4 min/bot a 2.09 min/bot), con ello la productividad y la eficiencia del proceso traen consigo aumento en los indicadores de producción. Se ha podido aplicar correctamente la metodología de trabajo en un proyecto, llevando a involucrar los conocimientos adquiridos en diversos cursos, lo cual ha contribuido en el desarrollo integral del alumno y de esta manera estar concientizado y preparado para poder afrontar un proyecto de mayor envergadura en el ámbito industrial.

RECOMENDACIONES Se debe realizar por seguridad la purga de aire antes de realizar el arranque del proceso, para evitar que los pistones estén saturados y puedan salir de forma brusca rompiendo alguna botella. Es necesario tener en consideración la cantidad de capsulas termo encogibles que se tiene en el canal, para evitar caídas en el canal y el mal posicionamiento en las botellas, por lo general debe estar lleno como mínimo al 75 %. Es conveniente mantener los corchos aislados y solos posicionarlos en el canal cuando se va a realizar la producción, para así evitar su ensanchamiento lo cual no permitirá que el corcho ingrese en la botella. Se debe disponer de un personal en la zona de proceso, el cual supervisara el correcto funcionamiento y deberá estar listo para actuar ante cualquier percance que se pueda presentar. Para poder mejorar la producción es posible el rediseño de proceso, al cual se le podrá realizar mejoras en las siguientes etapas, llenado, sellado y encorchado; a los cuales se le puede duplicar y triplicar su proceso, para que ya no solo se procese una botella en esas etapas . Se debe realizar el mantenimiento del equipo cada 6 meses, en el cual se debe estar al tanto con los mecanismos en movimiento que se tienen, los cuales deben estar engrasados para así evitar que se traben. Para evitar accidentes y percances en el proceso solo debe estar en la zona el personal encargado de la supervisión. Para mejorar la evacuación y encajonado de las botellas es factible realizar un nuevo diseño del gripper, con el cual se pueda trasladar 6 o 12 unidades a la vez. Para el personal que este en la zona de control y monitoreo se recomienda antes de realizar la puesta del proceso revisar la indicaciones que se tienen como ayuda, para poder esclarecer dudas que puedan surgir y también para estar preparado si sucede algo en el proceso.

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Se debe de invertir mas dinero en el prototipo a fin de que este pueda entrar en etapa de patentado y así pueda transferirse esta tecnología a las MYPES. Se pueden agregar múltiples mejoras que concluirán en una excelente performance del mismo, haciéndolo mas eficiente aun.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Jaume Romagosa Cabús, David Gallego Navarrete y Raúl Pacheco Porras. Sistemas SCADA. Proyecto, Vilanova i la Geltrú: UPC, 2004.

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Rivas, Lisbeth Carolina Pérez. "Técnicas Emergentes para la Automatización." Proyecto, Mérida, 2006.

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–

SIEMENS: http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/controladores/s71200/P ages/S71200.aspx.

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ANEXO

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