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• Alejandro Torrez

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “GABRIEL RENÉ MORENO” FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGÍA INGENIERÍA DE CONTROL DE PROCESOS Carrera Acreditada por el C.E.U.B.

AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE YOGURT

EXAMEN DE GRADO Para Optar al Título Académico de LICENCIADO EN INGENIERÍA DE CONTROL DE PROCESOS

INTEGRANTES: UNIV. PADILLA SEVERICHE MAIKEL JERSON UNIV. TORREZ CAMACHO ALEJANDRO JUAN

SANTA CRUZ – 2018

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “GABRIEL RENÉ MORENO” FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGÍA INGENIERÍA DE CONTROL DE PROCESOS Carrera Acreditada por el C.E.U.B.

IDENTIFICACIÓN

INTEGRANTES: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… TRIBUNALES: …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… DIRECTOR DE CARRERA……………………………………………………………… FECHA DE INICIO………………………………………………………....................... FECHA DE ENTREGA……………………………………………................................ TIPO DE INVESTIGACIÓN………………………………………............................... LINEAS DE INVESTIGACIÓN………………………………………………………… EJES TEMÁTICOS……………………………………………………………………. ESCENARIOS…………………………………………………………………………. TEMAS PRIORITARIOS……………………………………………………………….

Resumen

RESUMEN

Agradecimiento

AGRADECIMIENTO

índice

ÍNDICE

Seminario de grado

I

Índice de tablas

ÍNDICE DE TABLAS

Seminario de grado

II

Índice de figuras

ÍNDICE DE FIGURAS

Seminario de grado

III

Introducción

INTRODUCCIÓN 1. ANTECEDENTES Los procesos de producción a gran escala, industriales, son altamente beneficiados con la implementación de la automatización, estos beneficios son reflejados en los aumentos de producción, eficiencia de uso de recursos y optimización de costos del tipo humano. De esta manera las industrias son cada vez más competitivas, permitiéndoles una visión más amplia como un mercado nacional o internacional. En la industria láctea y derivados, en específico las plantas procesadoras de yogur existen una variedad de procesos y tratamientos especiales los cuales son determinantes sobre la calidad del producto. Hoy en día se puede notar la actualización gradual que han sufrido las procesadoras de yogur pasando de una elaboración artesanal o manual a un de elaboración de tipo automática. Esto debido a grandes demandas. No obstante en Bolivia aún se puede encontrar pequeños productores de yogur que se dedican a una producción a menor escala como etapa inicial. Como es de esperarse dichos productores tiene un alza en cuanto a la demanda del producto. Entonces la problemática se establece en la necesidad de aumentar la producción y seguir manteniendo un margen de utilidad. Por tanto ya no sería viable un mayor número recurso humano para el control y monitorea de valores de temperatura.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Pequeñas empresas productoras de yogur en la región, aún realizan sus procesos de manera manual o artesanal. Enfrentando un problema constante cuando existe una mayor demanda, ya que la producción no abastece con un proceso manual y optar por ampliar la producción manteniendo un método artesanal no es muy confiable a mayores escalas. Un proceso manual otorga productos no normalizados que son reflejados en su sabor, color, aspecto y calidad en general. El tiempo de procesamiento es de igual forma es bastante irregular. Esto se debe a que el esfuerzo mecánico depende de la fuerza de los operadores.

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1

Introducción

3. OBJETIVOS 3.1.

Objetivo general

Automatizar el proceso de fabricación de yogurt mediante el empleo de un Controlador lógico programable (PLC), monitoreados por un sistema SCADA, seleccionando los instrumentos de medición más adecuados para dicho proceso.

3.2.

  

Objetivo específico

Seleccionar un PLC apto para el control del proceso automático de elaboración de yogur Diseñar un sistema de SCADA apropiado para la producción de yogurt. Seleccionar los instrumentos de medición más adecuados para la automatización del proceso de elaboración de yogurt.

4. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO La implementación de instrumentos de control sustituyen los trabajos pesados y peligrosos que realiza el hombre. De manera positiva se incide en la reducción de riesgos para la salud del operador. Como también en un mayor control del proceso de esta forma la empresa aumenta su productividad, calidad y competitividad. Es importante mencionar que la implementación de un control de proceso basado en un autómata programable logra reducir costos y tiempos de operación y producción gracias a la respuesta en tiempo real. La automatización del proceso también implica un producto normalizado, que abre las puertas a certificaciones y estándares de calidad. Lo que significa un mayor alcance para el producto, ya sea a nivel nacional o internacional.

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Procedimiento

CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

1. PROCESO DE ELABORACIÓN DE YOGURT 1.1.

DEFINICIÓN

El yogur es un producto lácteo obtenido por medio de la fermentación de la leche, que puede haber sido elaborado a partir de productos obtenidos de la leche con o sin modificaciones en la composición. Por medio de la acción de microorganismos adecuados y teniendo como resultado la reducción del pH con o sin coagulación (precipitación isoeléctrica). Estos cultivos de microorganismos serán viables, activos y abundantes en el producto hasta la fecha de duración mínima. Si el producto es tratado térmicamente luego de la fermentación, no se aplica el requisito de microorganismos viables. El yogur se caracterizan por un cultivo específico (o cultivos específicos) utilizado para la fermentación: (CODEX, 2011)  

Cultivos simbióticos de Streptococcus thermophilus y Lactobacillus delbrueckii subesp. bulgaricus. Yogur en base a cultivos alternativos: Cultivos de Streptococcus thermophilus y toda especie Lactobacillus.

1.2.

ETAPAS DEL PROCESO DE ELABORACIÓN

Para el desarrollo del proceso de producción yogurt a nivel industrial tendremos en cuenta varias etapas para la obtención de nuestro producto final (yogurt). A continuación describiremos el proceso desglosado y de manera entendible.

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Procedimiento

MEZCLA DE INGREDIENTES

ENFRIAMIENTO

INOCULACIÓN HOMOGENIZACIÓN INCUBACIÓN PASTEURIZACIÓN PTO. FINAL FERMENTACIÓN (ACIDEZ)

Figura 1.1 Diagrama de las etapas del proceso ELABORACIÓN PROPIA

1.2.1.

PRODUCCIÓN Y SÍNTESIS

Durante esta fase, las materias primas que se recogieron previamente se transforman en el producto real que la empresa produce a través de su montaje. En esta etapa es fundamental observar los estándares de calidad y controlar su cumplimiento. a) Mezcla de ingredientes

Todos los ingredientes sólidos son pesados, mientras que los líquidos pueden ser pesados o dosificados por medidores volumétricos. Para la mezcla de los ingrediente se recomienda el uso de tanques (marmitas) provistos de agitadores, con el fin de asegurar una distribución adecuada de todos los ingredientes. Cuando un yogurt natural se produce en forma correcta no requiere del empleo de un estabilizador, si fuese necesario se recomienda mezclarlo con el azúcar y agregarlo a una temperatura de 45 °C. (Alais, 1998)

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Procedimiento

b) Homogenización

La estabilidad y consistencia del yogurt se ven mejorados por esta operación. La firmeza del gel aumenta al hacerlo. Se recomienda la utilización de una presión de 100 kg./cm2 y de una temperatura de 40 °C . Además de aumentar la estabilidad y la consistencia, la homogeneización da al yogurt “cuerpo” evitando que la grasa presente en el producto se separe (Alais, 1998).

c) Pasteurización

La pasteurización permite una mezcla libre de microorganismos patógenos, ayuda a disolver y combinar los ingredientes, mejora el sabor y la calidad de almacenamiento, a la vez permite que el producto sea uniforme. Para esta operación se recomienda el uso de una marmita en donde se coloca la mezcla que deberá ser llevada a una temperatura de 85°C durante 30 15 minutos. Con el uso de está temperatura y tiempo se busca la coagulación estabilidad del cuerpo del producto. Pasteurizar la leche destinada para este proceso, se lo realiza de 85 a 90°C con un período de retención de 5 minutos. Este tratamiento térmico es algo más intenso que el aplicado a la leche para consumo, se consigue mayor viscosidad y menor tendencia a la liberación del suero. (Alais, 1998) d) Enfriamiento

Con el fin de que el producto tenga una temperatura adecuada al añadirle el cultivo se debe enfriar el mismo hasta una temperatura de 40-45°C. Para esta operación se recomienda que se haga lo más higiénicamente con el fin de no contaminar la mezcla además de hacerlo rápido (Alais, 1998). e) Inoculación

Se utiliza para inocular la mezcla entre 2-3% de cultivo formado por partes iguales de Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus. Se debe mezclar muy bien al agregar el cultivo y procurando extremar las medidas higiénicas con el fin de evitar una contaminación. La inoculación se realiza luego del tratamiento térmico, bajando la temperatura a 45 y 46°C en este momento se adiciona el fermento lácteo que está conformado por bacterias lácticas productoras de ácido láctico y aroma. La incubación se realiza durante 4 a 6 horas manteniendo la temperatura entre 45 y 46°C a partir de este tiempo, podemos iniciar el enfriamiento del yogurt. f)

Incubación

La mezcla con el cultivo se debe incubar a 45°C durante 3 - 4 horas, tiempo en el que el yogurt debe adquirir un pH de 4,6 - 4,7.

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g) Punto final de fermentación respecto a la acidez

El punto final puede estar indicado por un promedio de 80 grados Dornic, si no se posee este equipo se puede saber con una simple observación, en los bordes del recipiente cuando comienza a salir una especie de líquido acuoso (No suero), por otro lado con la introducción de una cuchara podemos ver la consistencia de la masa o gel de este yogurt. (Alais, 1998)

2. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 2.1.

DEFINICIÓN

La Real Academia de las Ciencias Físicas y Exactas define la automática como el conjunto de métodos y procedimientos para la substitución del operario en tareas físicas y mentales previamente programadas. De esta definición original se desprende la definición de la automatización como la aplicación de la automática al control de procesos industriales. Por proceso, se entiende aquella parte del sistema en que, a partir de la entrada de material, energía e información, se genera una transformación sujeta a perturbaciones del entorno, que da lugar a la salida de material en forma de producto (Antoni, 2010).

2.2.

OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN

 Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y mejorando la calidad de la misma.  Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad.  Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.  Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso.  Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo.  Integrar la gestión y producción (Paolacin, 2015).

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2.3.

PIRÁMIDE DE LA AUTOMATIZACIÓN

Las tecnologías empleadas en la automatización y gestión de procesos productivos quedan representadas en la llamada “Pirámide de Automatización”, la cual recoge los cinco niveles tecnológicos que se pueden encontrar en un entorno industrial.

Figura 1.2 Pirámide de la automatización

Fuente: Automatización en el Proceso de Manufactura

2.3.1.

Nivel de adquisición de datos de campo o instrumentos

En esta etapa se habla de sensores y actuadores que se encuentran repartidos por el proceso y que permiten el control de las máquinas y equipos de producción. Este documento se centra en los sensores inalámbricos. 2.3.2.

Nivel de control/ tableros de control

Nivel donde se hace mención a los ordenadores, PLCs, etc. Los equipos de este nivel utilizarán datos del proceso proporcionados por los instrumentos del nivel de adquisición de datos y darán consignas a los actuadores.

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2.3.3.

Nivel de supervisión

Dicha supervisión se da con equipos destinados a controlar la secuencia de fabricación (Ciberseguridad, 2012)n y/o producción como: SCADA, estaciones de operaciones o servidores de ingeniería. 2.3.4.

Nivel de operaciones de fabricación

Es donde se gestionan los flujos de trabajo para producir u optimizar los productos finales. 2.3.5.

Nivel de gestión

Donde se desarrollan todas las actividades relacionadas con el negocio necesario en una organización industrial, comunicando distintas plantas y manteniendo relaciones con proveedores y clientes (Ciberseguridad, 2012)

2.4.

TECNOLOGÍAS DE LA AUTOMATIZACIÓN

Tecnologías que trabajan en conjunto para llevar a cabo el control de procesos.

Figura 1.3 Clasificación de las tecnologías para la automatización Fuente: Automatismos y Control, Sistemas básicos de control industrial

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2.4.1.

Tecnología Eléctrica

Relés y contactares Mediante un circuito de baja potencia, abrir/cerrar otro circuito de mayor potencia. (Contactares: para mayores potencias que los relés). El acoplamiento entre ambos circuitos es mecánico. Interruptores accionados a distancia mediante un electroimán. Aplicando tensión a la bobina del electroimán se consigue la apertura o cierre del electroimán (Velazquez, 2016). 2.4.2.

Tecnología de Instrumentación

La medición de los distintos parámetros que intervienen en un proceso de fabricación o transformación industrial es básica para obtener un control directo sobre los productos y poder mejorar su calidad y productividad (Velazquez, 2016).

2.5.

SISTEMA DE CONTROL

Un sistema que mantiene una relación establecida entre la salida y la entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como medio de control, se denomina sistema de control realimentado o de lazo cerrado. También existen los sistemas de lazo abierto en los cuales la salida no afecta la acción de control. En esta sección veremos las características de cada uno y también sus diferencias. 2.5.1.

SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO

Sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador.

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Figura 1.4 Sistema de control de lazo abierto

Elemento de control: Este elemento determina qué acción se va a tomar dada una entrada al sistema de control. Elemento de corrección: Este elemento responde a la entrada que viene del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor requerido. Proceso: El proceso o planta en el sistema en el que se va a controlar la variable.

2.5.2.

SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.

Figura 1.5 Sistema de control de lazo cerrado

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Elemento de comparación: Este elemento compara el valor requerido o de referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida, y produce una señal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido. Elemento de control: Este elemento decide que acción tomar cuando se recibe una señal de error. Elemento de corrección: Este elemento se utiliza para producir un cambio en el proceso al eliminar el error. Elemento de proceso: El proceso o planta, es el sistema dónde se va a controlar la variable. Elemento de medición: Este elemento produce una señal relacionada con la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de realimentación al elemento de comparación para determinar si hay o no error. (ELECTRÓNICAINDUSTRIAL)

2.6.

TIPOS DE CONTROL AUTOMÁTICO

2.6.1.

CONTROL ON/OFF

También conocido como control todo o nada. Este tipo de control presenta dos valores fijos en su salida, encendido y apagado, según si la señal de error es positiva o negativa. Al iniciar el sistema el erros es positivo y el control es activado hasta llegar al valor de deseado, en ese momento el signo de error cambia a negativo y el controlador se apaga como se ilustra en la figura 1.12.

Ecuación 1.1 Estado de control parcial On

y(t) = M1 si e(t) > 0 Ecuación 1.2 Estado de control parcial Off

y(t) = M2 si e(t) < 0

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Figura 1.6 Sistema de control ON/OFF

Fuente: https://www.academia.edu/

Este controlador es de gran uso porque su implementación es muy sencilla, normalmente se los utiliza en aplicaciones domesticas o en procesos industriales donde no se requiera una elevada precisión debido a que el controlador no posee la capacidad necesaria para generar un valor exacto de la variable controlada.

2.6.2.

Control proporcional

La señal que se entrega a la salida del controlador es de un valor proporcional a la señal del error (valor deseado – valor medido). En otras palabras la salida del controlador está dada por la multiplicación entre la ganancia proporcional Kp y la señal de error.

Figura 1.7 Sistema de control proporcional

Fuente: http://pybonacci.org/

Este tipo de control es uno de los simples y fáciles de implementar; pero aunque corrige el error no lo elimina por completo.

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2.6.3.

Control Proporcional Integral

Como se muestra en la figura, este controlador asocia dos tipos de acciones, la proporcional que actúa instantáneamente y la integral que actúa solo en un intervalo de tiempo. El control trabaja considerando la dimensión del error y el tiempo que este ha persistido.

Figura 1.8 Sistema de control proporcional integral Fuente: http://pybonacci.org/

Con el uso de este tipo de control se puede lograr corregir más rápidamente el error y eliminarlo en su totalidad, aunque incrementa el sobre-impulso y el tiempo de estabilización.

2.6.4.

Control Proporcional Derivativo

Se lo considera como un control proporcional que tiene la capacidad de tomar en cuenta la velocidad del cambio del error con respecto al tiempo.

Este control suele anticipare a las consecuencias de la acción proporcional para lograr que el sistema se estabilice más rápido después de la presencia de una perturbación.

Figura 1.9 Sistema de Control Proporcional Derivativo Fuente: http://pybonacci.org/

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Al utilizar el control descrito en la figura se disminuye el tiempo de estabilización y el sobre-impulso, aumenta la velocidad de respuesta que tiene el sistema de control, pero tiene la desventaja de amplificar las señales de ruido.

2.6.5.

Control PID

El controlador PID utiliza las características de los controladores Proporcional, Integral y Derivativo como se describe en la figura 1.10, con la finalidad actuar rápidamente ante la presencia de perturbaciones, es decir, el sistema tendrá una respuesta rápida y una compensación instantánea a la señal del error.

Figura 1.10 Sistema de Control Proporciona integral y derivativo Fuente: http://educativa.catedu.es

Sus desventajas más relevantes son: el ser más propenso a oscilaciones, y una compleja configuración de sus parámetros (Paolacin, 2015)

3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE Para solucionar tareas de control complejas, en la actualidad suelen utilizarse controles lógicos Programables (PLC). Con estos controles, el programa no está determinado por la conexión entre varios relés individuales, sino por el contenido del software. Los PLC principalmente procesan señales binarias.

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Los PLC ofrecen las siguientes ventajas: • Menor cantidad de bloques lógicos en el software, en sustitución de numerosos relés • Cableado sencillo • Posibilidad de modificar los programas de modo rápido y eficiente • Localización sencilla de fallos • Solución más económica que otras alternativas (F. Ebel, 2008)

3.1.

DEFINICIÓN

Según la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos o NEMA por sus iniciales en inglés: Un PLC es un instrumento electrónico, que utiliza memoria programable para guardar instrucciones sobre la implementación de determinadas funciones, como operaciones lógicas, secuencias de acciones, especificaciones temporales, contadores y cálculos para el control mediante módulos de E/S analógicos o digitales sobre diferentes tipos de máquinas y de procesos (Ieec, 2012)

3.2.

ESTRUCTURA BÁSICA DE UN PLC

3.2.1.

PLC COMPACTOS

Consta de un solo bloque en donde se encuentran la CPU, la fuente de alimentación, la sección de entradas y salidas, y el puerto de comunicación, este tipo de PLC se utiliza cuando nuestro proceso a controlar no es demasiado complejo y no requerimos de un gran número de entradas y/o salidas ó de algún módulo especial. Entradas digitales Entradas analógica Cartucho de extensión Tarjeta SD

Puerto USB Ethernet

Puerto Serie Salidas digitales

Figura 1.11 Partes de un controlador lógico programable M221 Elaboración propia

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Procedimiento

3.3.

CRITERIO DE SELECCIÓN DE PLC

La selección de un PLC como sistema de control depende de las necesidades del proceso productivo que tiene que ser automatizado, considerando como más importantes los aspectos que a continuación se en listan: 

Número de entradas y salidas a utilizar.



Cantidad de memoria (Extensión del programa).



Proceso de producción periódicamente cambiante.



Necesidad de interfaces especiales.



Tipos de entradas y salidas (Digitales, analógicas).



Grado de protección IP.



Costo del equipo.



Compatibilidad con equipos de otras gamas.



Asesoría y existencia del producto en el mercado local (Paolacin, 2015).

3.4.

MODICON M221 - SCHNEIDER ELECTRIC

Se opta por el equipo Modicon TM221CER16R ya que satisface las necesidades de entradas y salidas, flexibilidad en cuanta adaptación o expansión, un grado de protección adecuado, costo y accesibilidad.

Características:

Entradas y Salidas

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Tensión de alimentación

100-240 V a 24 Vdc

Entradas/ salidas

24 E/S lógicas

Nº y tipo de entrada

14 entradas NPN/NPN de 24 V incluye 4 entradas rápidas

Nº y tipo de salida

10 salidas de relé, 10 salidas de transistr PNP, incluye 2 salidas 16

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rápidas Entradas analógicas

2 entradas analógicas de 0-10V

Conexión de E/S

Mediante bornero de tornillos extraíble con un paso de 5,08 mm; alimentación de 24 V / 0,25 A suministrada por el controlador a las entradas de sensores en los modelos TM221CE24R

Ampliación de E/S

7 módulos de extensión Modicon TM3, 14 módulos de extensión Modicon TM3 con la utilización de módulos de extensión de bus (transmisor y receptor), Posible utilización de módulos de extensión Modicon TM2 con algunas restricciones

Comunicación Conexión ethernet

1 puerto Ethernet incorporado en controladores TM221CE, Modbus TCP(cliente servidor), Modbus TCP esclavo, cliente de DHCP, programación descarga, monitorización, SMS y correos electrónicos

Funciones

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Conexión serie

1 puerto serie (conector RJ45), RS232/485con alimentación de + 5V

Control de procesos

PID

Contaje

hasta 4 entradas rápida de contaje (HSC), frecuencia 100 kHz

Control de movimiento

solo en controladores TM221CE?T, modulación de ancho de pulsos (PWM), Generador de pulsos (PLS), 2 salidas de tren de pulsos P/D (POT) con perfil trapezoidal y curva S, frecuencia 100 kHz

Dimensiones AnxAlxPr (mm)

110x90x70

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Opciones

Cartuchos

• 3 cartuchos de extensión de E/S analógicas • 1 cartucho de comunicación con puerto serie adicional • 3 cartuchos de aplicación: • Para control de aplicaciones de hoisting • Para control de aplicaciones de packaging • Para control de aplicaciones de conveying

Numero de ranuras p/cartuchos

1 existe la posibilidad de cartuchos de ampliación o comunicación

Terminal grafico

terminal grafico para diagnóstico, mantenimiento y monitorización

Montaje

instalación en Cami/Riel simétrico o montaje en panel con kit de montaje especifico TMAM2

Programación

Software SoMachine Basic

Características de hardware

Características de hardware Los controladores M221 y M221 Modular tienen incorporado: • Interruptor de Run/Stop • Ranura para la tarjeta de memoria SD • Código QR para acceso directo a documentación técnica

Tabla 1.1 Características del controlador M221 CER16R Fuente: Guía del hardware Modicon M221 controlador lógico

3.5.

PROGRAMACIÓN

Los sistemas de control únicamente pueden ser eficientes si los pasos incluidos en los procesos se ejecutan en el momento preciso, en la Seminario de grado

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Procedimiento

posición exacta y en el orden correcto. Para cumplir estas condiciones es necesario disponer de un hardware fiable y, además, de un software que permita la planificación de procesos técnicos complejos y que sea capaz de controlarlos.

Además, la interfaz de usuario debe corresponder a los estándares internacionales. SoMachine Basic v1.5 cumple estas condiciones (F. Ebel, 2008). “Un programa es grupo de instrucciones y símbolos que pueden ser identificados por el PLC, con la ayuda de su entidad de programación, los cuales permiten que se ejecute el proceso de control deseado. El Lenguaje de Programación, proporciona al usuario la facultad de incorporar en la memoria del controlador lógico programable un programa de control.” (Paolacin, 2015)

3.5.1.

LENGUAJE LADDER DE PROGRAMACIÓN

Los diagramas Ladder o de contacto son similares a los diagramas lógicos de relé que representan circuitos de control de relé. Las principales diferencias entre los dos son las siguientes funciones de la programación de Ladder que no aparecen en los diagramas de lógica de relé: z Todas las entradas están representadas por símbolos de contactos “( )”. z Todas las salida están representadas por símbolos de bobinas “( )”. z Las operaciones numéricas están incluidas en el conjunto de instrucciones de Ladder gráficas. a) Escalones Ladder

Un programa en lenguaje de diagrama Ladder está formado por "escalones" que representan el conjunto de instrucciones gráficas y aparecen entre dos barras verticales. El controlador ejecuta los escalones de forma secuencial. El conjunto de instrucciones gráficas representa las siguientes funciones: z Entradas/salidas del controlador (botones de comando, sensores, relés, luces de pilotos, etc.). z Funciones del controlador (temporizadores, contadores, etc.). z Operaciones lógicas y matemáticas (adición, división, AND, XOR, etc.). z Operadores de comparación y otras operaciones numéricas Los diagramas Ladder están compuestos por bloques que representan el flujo de programas y las funciones, por ejemplo:   

Contactos Bobinas Instrucciones de flujo de programas

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  

Bloques de función Bloques de comparación Bloques de operación

Contactos, bobinas y flujo de programas Las instrucciones contactos, bobinas y flujo de programas (saltar y llamadas) ocupan una única celda en el reticulado de programación de Ladder. Los bloques de función, comparación y operación ocupan varias. A continuación se muestran ejemplos de contactos y bobinas. Bloques de función Los bloques de función están ubicados en el área de comprobación del reticulado de programación. El bloque debe aparecer en la primera fila; no deberían aparecer instrucciones Ladder ni líneas de continuidad por encima ni por debajo del bloque de función. Las instrucciones de prueba Ladder llevan al lateral de entrada del bloque y las instrucciones de prueba o acción llevan al lateral de salida del bloque. Los bloques de función están colocados en vertical y ocupan dos columnas en cuatro filas del reticulado de programación. A continuación se muestra un ejemplo de un bloque de función del contador. Bloques de comparación Los bloques de comparación están ubicados en el área de comprobación del reticulado de programación. El bloque puede aparecer en cualquier fila o columna del área de comprobación siempre que la longitud completa de la instrucción esté en esta área. Los bloques de comparación están colocados en horizontal y ocupan dos columnas en una fila del reticulado de programación, tal y como se muestra en el ejemplo de bloque de comparación siguiente. Bloques de operación Los bloques de operación están ubicados en el área de acción del reticulado de programación. El bloque puede aparecer en cualquier fila del área de acción. La instrucción está justificada a la derecha; aparece en la derecha y termina en la última columna. Los bloques de operación están colocados en

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Procedimiento

b) Elementos gráficos de la programación ladder Contactos

Figura 1.12 Símbolos ladder de contacto Fuente: (twido, 2015)

Bobinas

Figura 1.13 Símbolos ladder de bobinas Fuente: (twido, 2015)

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Bloques de funciones

Figura 1.14 Símbolo ladder de funciones

Fuente: (twido, 2015)

Bloques de operaciones y comparación

Figura 1.15 Símbolo ladder de operaciones

Fuente: (twido, 2015)

4. INTERFACE HUMANO-MAQUINA HMI 4.1.

DEFINICIÓN

Una interfaz de usuario asistida por ordenador, actualmente una interfaz de uso, también conocida como interfaz hombre-máquina (IHM), forma parte del programa informático que se comunica con el usuario. En ISO 9241-110, el término interfaz de usuario se define como "todas las partes de un sistema interactivo (software o hardware) que proporcionan la

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Procedimiento

información y el control necesarios para que el usuario lleve a cabo una tarea con el sistema interactivo".

4.2.

FUNCIÓN DE UNA INTERFACE HMI

La interfaz del usuario, además de una "interfaz humano-máquina" (HMI), también se denomina "interfaz hombre-máquina" (MMI) y permite que el operador, en ciertas circunstancias, vaya más allá del manejo de la máquina y observe el estado del equipo e intervenga en el proceso. La información ("comentarios") se proporciona por medio de paneles de control con señales luminosas, campos de visualización o botones, o por medio de software que utiliza un sistema de visualización que se ejecuta en una terminal, por ejemplo. Con un interruptor de una lámpara, la información visual se proporciona a partir de la impresión de "luz" y la configuración del interruptor en "encendido" y "oscuridad" con el interruptor "apagado". En la cabina del conductor de un vehículo también se encuentran múltiples interfaces de usuario, desde los controles (pedales, volante, interruptores y palancas de los intermitentes, etc.) a través de reconocimientos visuales de la "máquina", el vehículo (pantalla de velocidad, marcha, canal de la radio, sistemas de navegación (COPADATA )

5. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Elementos o instrumentos que sirven para sensar, convertir, transmitir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en este. Dichas variables pueden ser. Un instrumento de medición es un dispositivo que transforma una variable física de interés, que se denomina variable mediada, en una forma apropiada para registrarla o visualizarla o simplemente detectarla, llamada medición o señal medida. El elemento clave fundamenta de un sistema de instrumentación, es el elemento sensor. La función del sensor es percibir y convertir la entrada (variable física) percibida por el sensor, en una variable de salida (WIKIPEDIA)

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Procedimiento

Variables a controlar :        

Caudal másico y volumétrico Presión Temperatura Nivel de líquidos y solidos Velocidad Peso humedad Punto de roció Variables químicas, pH conductividad eléctrica

5.1.

SENSORES

5.1.1.

DEFINICIÓN

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales, con el objetivo de mandar una señal y permitir que continué un proceso, o bien detectar un cambio; dependiendo del caso que éste sea. Es un dispositivo que a partir de la energía del medio, proporciona una señal de salida que es función de la magnitud que se pretende medir. 5.1.2.

SENSOR DE TEMPERATURA

El sensor de temperatura es un elemento que está diseñado para interpretar y transformar los cambios de temperatura que existen en un medio físico, así también en cambios de señales eléctricas que posteriormente son enviadas a un dispositivo que las procesa. a) DETECTOR RESISTIVO DE TEMPERATURA “RTD”

El RTD es uno de los sensores de temperatura más precisos. No sólo ofrecen una buena precisión, también proporciona una excelente estabilidad y repetitividad. Los RTD también son relativamente inmunes al ruido eléctrico y por lo tanto muy adecuado para la medición de temperaturas en ambientes

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industriales, especialmente alrededor de motores, generadores y otros equipos de alta tensión. En un análisis realizado en el proceso se encontró que la utilización de un sensor de temperatura RTD Pt100 cobre los rangos de temperatura del proceso y su calidad de medición respecto a sensibilidad, estabilidad y respuesta en tiempo son excelentes. Su alta confiabilidad es un factor de vital importancia ya que el proceso a automatizar está caracterizado por una relación de temperatura-tiempo específica requerida para obtener las condiciones óptimas del producto. Su principio de medición consiste en el aumento de la resistencia eléctrica de un conductor con el incremento en la temperatura. Las RTD son construidas de un material resistivo con guías y generalmente ubicada dentro de una capsula. Los materiales resistivos utilizados para su construcción son níquel, cobre o platino, siendo este último el más utilizado debido a la ventaja en cuanto a linealidad y repitibilidad que presente frente al níquel y el cobre. La sigla Pt100 indica que el material de construcción del RTD es platino y que su resistencia estándar es de 100Ω a 0 °C. Aunque la resistencia estándar de 100Ω es la más común, es posible encontrar resistencias de 10 y 1000Ω.

Figura 1.17 Sensor RTD con vaina de protección

Fuente: www.indiamart.com

5.1.3.

Figura 1.16 Conexión termocupla- transductor

Fuente:

SENSOR DE NIVEL

a) Detectores de posición capacitivos

Un detector de posición capacitivo consta de una resistencia eléctrica (R) y de un condensador (C) que juntos componen un circuito oscilante RC y, además, de una unidad electrónica para evaluar la oscilación. Entre el Seminario de grado

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Procedimiento

electrodo activo y el electrodo conectado a masa del condensador, se crea un campo electrostático.

En la parte frontal del detector se forma un campo de dispersión. Si una pieza entra en ese campo de dispersión, cambia la capacidad del condensador.

El circuito oscilante se atenúa y la unidad electrónica conectada detrás confirma la salida. Los detectores de posición capacitivos no solamente reaccionan en presencia de materiales muy Conductores sino, también, en presencia de un aislante con gran constante dieléctrica (por ejemplo, plásticos, vidrio, cerámica, líquidos y madera). Estos detectores capacitivos son muy empleados para realizar la medición de niveles extremos como altos o bajos muy comunes en un tipo de control on-off y en producciones por lotes.

Criterio de selección • Tipo de recipiente– Presurizado o atmosférico. • Orientación de la boquilla del recipiente. • Material a ser medido– Líquido, Interfaz o Solido • Condiciones de proceso – Temperatura, Presión, densidad, viscosidad, conductividad, turbulencia, ocurrencia de vaporización en superficie, medio corrosivo o acido, espuma. • Rango de medición • Tipo de medición – Continuo (Transmisor), Puntual (Switch), Local (manómetro) • Medición con o sin contacto.

5.1.4.

SENSOR DE FLUJO

El sensor de efecto Hall sirve para la medición de campos magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición en la que está. Los del tipo apagado/encendido o flujo-metros determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro. Seminario de grado

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Procedimiento

Instrumento de medida de caudal, gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos son colocados en línea con la tubería que transporta el fluido.

Un caudalimetro del tipo Vortex el cual cumple con las características proceso. Su calidad de medición respecto a sensibilidad, capacidad y respuesta en tiempo son excelentes y por su puesto estimando el tema de costos. (WIKIPEDIA)

5.2.

ACTUADORES ELÉCTRICOS

Un actuador eléctrico es un dispositivo capaz de transformar energía eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Por activación nos referimos en una señal que se transforma en mecánica. Dentro de estas activaciones en todo caso físicas pueden existir de dos tipos una de manera línea y otra de manera circular.

5.2.1.

ELECTROVÁLVULAS

Son válvulas del tipo electro-mecánica y son utilizadas como elemento final de control de paso de flujo en ductos o tuberías. Reciben el nombre de válvulas solenoides por que la porte mecánica o válvula en si es movida por una bobina solenoide. Las válvulas solenoides disponible son de 24 Volts, corriente continua, normalmente cerrada. Como alternativa se tiene las bobinas para corriente alterna. Las bobinas tienen un consumo de 3W, y la válvula soporta una presión hasta 10 bar.

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Procedimiento

Figura 1.18 Electroválvula modelo 2L500-50(US-50) Fuente: https://www.aliexpress.com

5.2.2.

MOTOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO

Son máquinas eléctricas que transforman en energía mecánica, la energía eléctrica que absorben por sus bornes. Motores de corriente alterna:  

Motores asíncronos o Monofásicos o Trifásicos Motores síncronos

a) Motor de inducción

También conocidos como motores asíncronos trifásicos de corriente alterna, son aquellos en el que la corriente eléctrica necesaria para que el rotor genere torsión es inducida por un campo electro-magnético del estator. Las configuraciones comunes dentro de este tipo de motores constan de un rotor que puede ser tipo jaula de ardilla o bobinado y un estator El motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. De ahí el nombre de jaula de ardillas

TOR

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Procedimiento

Figura 1.19 Motor de inducción Fuente: https://maquinaselectricasblog.wordpress.com

CONEXIÓN λ EN UN MOTOR TRIFÁSICO AC DE 6 PUNTAS Es el procedimiento más empleado para el arranque de motores trifásicos de rotor en cortocircuito. Consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez que haya alcanzado cierta velocidad, conectarlo en triángulo para que quede conectado a la tensión total nominal de la línea. Para cuestiones prácticas solo se busca la conexión de tipo estrella para compatibilizar la tensión de 380-400 V con la del variador de frecuencia. El parte superior del motor en su bornera se busca las 3 terminales con sus indicadores de U, V y W. esto indica que el motor es construido bajo la norma IEC. Entonces U1, V1 y W1 seria nuestra conexión con las líneas de alimentación L1, L2 y L3 y U2, V2 y W2 vendría siendo el puente conectadas entre sí. Es importante realizar un buen ajuste de las conexiones para evitar los falsos contactos

Figura 1.20 Esquema de conexiones triangulo y estrella Fuente: http://ecatalog.weg.net, Placa de identificación

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Procedimiento

5.2.3.

RESISTENCIA ELÉCTRICA PARA CALENTAMIENTO

Son elementos que se fabrican a base de níquel o cobre, donde la energía eléctrica se transforma en calor. Mediante la ley de joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia.

Esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de tiempo que este conectada. De acuerdo a la ley de joule decimos que la cantidad de calor desprendido de una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente y directamente proporcional al valor de la resistencia y al tiempo.

Figura 1.21 Tipos de resistencias Fuente: http://www.areatecnologia.com

6. COMPONENTES ELÉCTRICOS DE POTENCIA 6.1.

CONTACTOR

Un elemento eléctrico receptor de señales de mando a distancia, que puede cerrar o abrir circuitos. Pieza importante para el motor eléctrico. Seminario de grado

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Procedimiento

Su principal aplicación es la de efectuar maniobras de apertura y cierra de circuitos eléctricos relacionados con instalaciones de motores. Excepto los pequeños motores, que son accionados manualmente o por relés, el resto de motores se accionan por contactores. La bobina es un electroimán que acciona los contactos cuando le llega corriente, abre los contactos cerrados y cierra los contactos abiertos.

De esta forma se dice que el contactor está accionado o "enclavado". Cuando le deja de llegar corriente a la bobina los contactos vuelven a su estado anterior de reposo y el contactor está sin accionar o en reposo (Paolacin, 2015)

Figura 1.22 Contactor marca CHNT

6.2.

RELÉ

También conocido como relevador es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

6.2.1.

Relés electromecánicos

Relés de tipo armadura: pese a ser los más antiguos siguen siendo los más utilizados en multitud de aplicaciones. Un electro imán provoca la basculación de una armadura al ser activado, cerrando o abriendo los Seminario de grado

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Procedimiento

contactos dependiendo de si es N.A (normalmente abierto) o N.C (normalmente cerrado).

7. ELEMENTOS DE INTERACCIÓN Algunos elementos de interacción o de control o de maniobra son dispositivos que nos permiten abrir o cerrar el circuito cuando lo necesitamos.

Figura 1.23 símbolos de elementos de interacción Fuente: https://www.dirind.com

7.1.

INTERRUPTOR

Un interruptor (simple), permite abrir o cerrar un circuito y permanece en la misma posición hasta que volvemos a presionar. Un interruptor doble o bipolar es un interruptor que abre y cierra dos circuitos al mismo tiempo. Un pulsador permite abrir o cerrar el circuito solo mientras estemos actuando sobre él. Cuando dejamos de presionar vuelve a su posición inicial.

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Procedimiento

7.2.

PULSADOR

Pulsador normalmente abierto (NA): En el estado de reposo el circuito está abierto, y se cierra cuándo se presiona. Pulsador normalmente cerrado (NC): En el estado de reposo el circuito permanece cerrado, y se abre cuándo se presiona.

7.3.

PILOTOS

Las señalizaciones pilotos o focos pilotos son usados como indicadores de que se han realizado ciertas acciones. Dentro de sus significados tenemos Piloto Rojo:    Piloto Verde:   

7.4.

Indica parada del equipo El paro de un ciclo. El paro en caso de peligro. (Paro de emergencia) Indica marcha (preparación). Muestra que la máquina se ha prendido. Arranque o energización de unidades de la máquina.

CONDUCTORES

Para que circule la corriente a través de un circuito necesitamos un medio conductor. Este medio está formado por un material conductor, que es aquel que presenta poca resistencia al paso de la corriente eléctrica. Por estos materiales los electrones pueden desplazarse libremente de un punto a otro se le conectamos una fuente de tensión entre dos puntos.

Cables Los cables están formados, en general, por un conjunto de hilos de cobre (conductor) y están cubiertos por una envoltura de plástico (aislante). Seminario de grado

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Procedimiento

Antes de conectar un cable a un componente debes pelar el plástico y retorcer los Hilos de cobre como se muestra en la imagen, ya que un pequeño hilo que quede suelto puede provocar fallos en el circuito se hace contacto donde no debe. Símbolos: Cuando diseñes un circuito un poco complicado es importante que diferencies entre los cables que están conectados de los que se crucen sin conexión, para que no te equivoques en el montaje práctico.

8. VARIADOR DE FRECUENCIA Un variador de velocidad también se lo conoce como variador de frecuencia porque modifica la frecuencia de salida para poder controlar la velocidad de un motor de corriente alterna. Los variadores de velocidad de corriente alterna, ahorran energía, reducen los choques mecánicos y permiten al usuario controlar continuamente la velocidad de un motor.

Figura 1.24 Variador de frecuencia Fuente: https://www.solucionesyservicios.biz

8.1.

VENTAJAS DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

Los variadores de velocidad de corriente alterna, se utilizan en cualquier proceso industrial de la actualidad, cualquier tipo de organización ya sea grande o pequeña puede utilizar un Drive de corriente alterna por las mejoras en los procesos de fabricación y en la calidad del producto que ofrecen. Toda industria llega a tener beneficios con el uso de los drivers de corriente alterna porque pueden reducir costos de operación, por el incremento de rentabilidad del

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Procedimiento

sistema, por la reducción del tiempo muerto además de la reducción de los costos de energía eléctrica (ALICON, 2016). 8.2.

APLICACIONES

Control de velocidad Control de flujo Control de presión Control de temperatura Control de aceleración Control de tensión

8.3.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Estos dispositivos entregan voltaje y frecuencia variable conforme a la necesidad del motor y la carga a él conectada. Para tal efecto, toma la alimentación eléctrica de la red, cual tiene voltaje y frecuencia fija, la transforma en un voltaje continuo (Rectificador más Filtro) y luego lo transforma en voltaje alterno trifásico de magnitud y frecuencia variable por medio de un Inversor. En esta última etapa (Inversor) es posible también alimentar estos motores a partir de un suministro de corriente continua (por ejemplo baterías). También se puede contar con un rectificador monofásico de modo de poder alimentar un motor trifásico a partir de una fuente de alimentación monofásica. La forma de onda del voltaje de salida en estricto rigor no es una sinusoide perfecta, toda vez que entregan una señal de pulso modulada a partir de una frecuencia de conmutación alta.

Figura 1.25 Secuencia Driver Fuente: http://www.fra.utn.edu.ar

En todo caso con los equipos actuales, donde podemos encontrar frecuencias de conmutación del orden de los 50 KHz, los contenidos de armónica son bastante bajos, por lo que agregando filtros pasivos cumplen las exigencias normativas impuestas por muchos países. La relación frecuencia voltaje es configurada por el usuario según la aplicación, siendo las más usuales una relación lineal, cual produce un torque constante Seminario de grado

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Procedimiento

en todo el rango de velocidad, ó una relación cuadrática, la que el torque disminuye a medida que baja la velocidad. En definitiva, conforme a la consigna de frecuencia que se le otorgue al equipo, la cual puede ser un comando en el mismo equipo o una señal externa, se entregará al motor un voltaje de magnitud según la relación V/F configurada y de frecuencia conforme a la consigna. Esto hará que el motor gire a una velocidad proporcional a la frecuencia.

9. DIAGRAMA UNIFILAR Es una representación gráfica de un sistema eléctrico, dentro de este sistema podemos identificar los disyuntores, transformadores, controladores, cableado y todo tipo elemento dentro de un sistema de control o instalación eléctrica. Elementos típicos en un esquema unifilar: CUADROS ELÉCTRICOS Es un área delimitada donde se encuentran todos los elementos o componentes del mismo es muy común que su figura sea la de un rectángulo y se suele dibujar con una línea discontinua. Además, es importante identificar con un etiqueta a qué cuadro se hace referencia por medio de un rótulo técnico en el margen inferior derecho. CIRCUITO Un circuito es una rama del esquema unifilar con dos extremos. El extremo superior puede ser el inicio del esquema unifilar o estar conectado a otro circuito aguas arriba. El extremo inferior puede estar conectado a uno o más circuitos, o a un receptor. NÚMERO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTORES Es un identificación mediante números oblicuos a cada línea, junto a cada rama se indican las características del conductor como sección, material, aislamiento, canalización, etc. PROTECCIÓN Estos vienen siendo los interruptores diferenciales, magneto-térmicos o relés. También es usado para prácticas o instalaciones sobre planos. TOMAS DE ALIMENTACIÓN Seminario de grado

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Procedimiento

También conocidos como receptores eléctricos, tales como lámparas, tomas de corriente, motores entre otros. Cada grupo de receptores iguales en un mismo circuito se representa mediante un único símbolo. Debajo del símbolo del receptor se encuentran información sobre el elemento eléctrico, como la designación del receptor, la cantidad, la potencia de cálculo de la línea, la longitud máxima o la caída de tensión en el punto más alejado de la línea (Orrego, 2007).

CAPÍTULO II PROCEDIMIENTO

Este apartado hace mención a la planificación y adquisición de los equipos necesarios para realizar la simulación del Proceso de elaboración de yogur. Debido a que el proceso será simulado se cuenta también con la planificación, diseño e implementación de los circuitos eléctricos, electrónicos, programación del PLC (SoMachine Basic 4.5) y del HMI (WinCC V14).

La validación del proyecto será mediante la simulación del proceso, pero por motivos de adquisición de datos analógicos una parte del proceso será “simulada” de manera física. En el apartado “2.1. CONTROL PID” se detallada sobre el tema.

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Procedimiento

Figura 2. 1 Diagrama de procedimiento de validación ELABORACIÓN PROPIA

PROCEDIMIENTO

DIMENSIONAMIENTO DEL PROYECTO

DEFINICIÓN DE VARIABLES DE PROCESO

ACCESIBILIDAD DE INSTRUMENTOS

ELABORACIÓN DEL DIAGRAMA P&ID

ELABORACIÓN DEL DIAGRAMA UNIFILAR Y ELÉCTRICO

DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO

ARMADO Y CABLEADO DE TABLERO ELÉCTRICO

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PROGRAMACIÓN DEL PLC Y ELABORACIÓN DE CONTROL PID

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Procedimiento

DIAGRAMA DE VARIABLES DE PROCESO En el fig. 10 se puede visualizar las variables de proceso, esto es un punto de partida para poder decidir y cuantificar los demás controles en cada etapa.

RECEPCIÓN TK-001 4ºC

REACTOR TK-101 45ºC 4 Hrs.

AÉREO-ENFRIADOR C-100 45ºC

AÉREO-ENFRIADOR C-101 4ºC

PAUSTERIZACIÓN TK-100 80ºC 5 min.

ALMACÉN TK-101 4ºC

Figura 2. 2 diagrama de variables de `proceso ELABORACIÓN PROPIA

1. DIMENSIONAMIENTO DEL PROYECTO Para determinar las características de algunos equipos e instrumentos se utilizó valores referenciales debido a la validación por simulación estos equipos no son implantados pero nos dan una referencia de los rangos de trabajos de algunos sensores y actuadores.

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Procedimiento

Tabla 2 Asignación de etiquetas y capacidades de equipo principales

EQUIPO TK-001 TK-101 C-100 C-101 TK-100 TK-101 H-001

DESCRIPCIÓN RECEPCIÓN REACTOR AÉREO-ENFRIADOR AÉREO-ENFRIADOR PAUSTERISADOR ALMACÉN HORNO

CAPACIDAD 700 m·3 700 m·3 125 BTU 62,5 BTU 700 m·3 700 m·3 500 BTU

2. DETERMINACIÓN DE ENTRADAS Y SALIDAS Concluido la visualización de las variables principales de proceso se prosigue con un dimensionamiento más a detalle de las variables a controlar, involucrando al nivel de los equipos, alimentación, descarga y alarmas en los mismo. Un objetivo claro de la determinación de entradas y salidas es el decidir qué características tendrá nuestro controlador como ser: 



Tipo de entrada o salida Como ejemplo se tiene la tabla 3. En donde se necesita entradas análogas y discretas o digitales. Cantidad de entradas y salidas Al terminar el análisis de las entradas y salidas requeridas para cada etapa se cuantifica un total para encontrar un PLC adecuado.

TANQUE 100 PASTEURIZACIÓN TAG DESCRIPCIÓN VS-1 VÁLVULA DE LLENADO TS-101 SENSOR DE TEMPERATURA LSH-100 INTERRUPTOR DE ALTO NIVEL LSL-100 INTERRUPTOR DE BAJO NIVEL R-1 RESISTENCIA VS-2 VÁLVULA DE VACIADO C-1 C-2 AERO-ENFRIADOR Seminario de grado

TIPO DIGITAL ANALÓGICO DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL

E/S SALIDA ENTRADA ENTRADA ENTRADA SALIDA SALIDA SALIDA 40

Procedimiento

BBA-1

BOMBA

DIGITAL

SALIDA

Tabla 3 Variables de control en la etapa de Pausterizacion ELABORACIÓN PROPIA

TANQUE 101 INCUBACIÓN TAG DESCRIPCIÓN SENSOR DE TS-101 TEMPERATURA LSH-101 INTERRUPTOR DE ALTO NIVEL LSL-101 INTERRUPTOR DE BAJO NIVEL R-2 RESISTENCIA M MEZCLADOR VS-3 VÁLVULA DE RECIRCULADO VS-4 VÁLVULA DE VACIADO BBA-2 BOMBA DE RECIRCULADO BBA-3 BOMBA DE VACIADO

TIPO ANALÓGICO DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL

E/S ENTRADA ENTRADA ENTRADA SALIDA SALIDA SALIDA SALIDA SALIDA SALIDA

Tabla 4 Variables de control en la etapa de Incubación (Reactor) ELABORACIÓN PROPIA

TANQUE 102 ALMACENAMIENTO TAG DESCRIPCIÓN LSH-102 INTERRUPTOR DE ALTO NIVEL VS-5 VÁLVULA DE VACIADO

TIPO DIGITAL DIGITAL

E/S ENTRADA ENTRADA

Tabla 5 Variables de control en la etapa de almacenamiento ELABORACIÓN PROPIA

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Procedimiento

TABLERO DESCRIPCIÓN PULSADOR DE PARADA PULSADOR DE MARCHA LUZ PILOTO DE PARADA LUZ PILOTO DE MARCHA

TIPO DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL

E/S ENTRADA ENTRADA SALIDA SALIDA

Tabla 6 Variables de control para el tablero de mando ELABORACIÓN PROPIA

2.1. CONTROL PID En la etapa de pausterizacion se coincide en utilizar un horno con el fin de alcanzar la temperatura deseada. Para realizar esa tarea es necesario un tipo de actuador analógico que pueda regular de manera parcial durante el proceso.

Figura 2. 3 Frecuente control PID en hornos ELABORACIÓN PROPIA

Una de las soluciones más frecuentes fig. 2.3 es la de regulación del comburente (aire) para el control de temperatura en el horno. Debido a la simulación de nuestro proceso se propone un control de temperatura de características PID pero con componentes diferentes. Fig. 2.4

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Procedimiento

Figura 2. 4 Simulación del control PID (temperatura) en el horno ELABORACIÓN PROPIA

Por tanto se tiene:

CONTROL PID TEMPERATURA (SIMULACIÓN) DESCRIPCIÓN TIPO E/S VARIADOR DE FRECUENCIA ANÁLOGA SALIDA PT-100 SENSOR TEMP. ANÁLOGA ENTRADA Tabla 7 Variables de control para la simulación en el horno ELABORACIÓN PROPIA

3. ACCESIBILIDAD DE INSTRUMENTOS Y EQUIPOS/CONSULTA DE CARACTERÍSTICAS EN EL MERCADO

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Procedimiento

Una base fundamental que se respeta en la implementación de la automatización es el equilibrio entre el costo y el beneficio. Al momento de seleccionar los equipos para el control del proceso es muy común encontrarse con una gran cantidad de marcas y modelos con características diferentes. Sin olvidarnos de que algunos equipos son específicos para ciertas aplicaciones. Entonces se analizó 3 aspectos en la adquisición de equipos para el control -

Costo Practicidad, que más allá de realizar la tarea que se pretenda sea un especialista en su campo Accesibilidad, lo más probable es que las marcas de alto prestigio conlleven un costo alto siendo que existen equipos de menos re-nombre pero que realicen su función de manera eficiente.

Por tanto se hace un detallado sobre la selección de nuestros equipos para el control del proceso de elaboración del yogurt.

3.1.

PLC SCHNEIDER TM221CE24R

Para la simulación del proceso se escoge un PLC modelo M221 de la serie CE24R fig. 2.5 se recurre a este controlador debido a la accesibilidad de su simulador y por sus características físicas como entradas, salidas y fuente de alimentación que son adecuadas al proceso. Ficha técnica ANEXO 1

Figura 2. 5 Controlador lógico programable M221 FUENTE https://www.schneider-electric.com

3.2.

MODULO TM3AM6G

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Procedimiento

Debido al requerimiento del proyecto se adiciona un módulo de entradas y salidas análogas

Figura 2. 6 Modulo de entradas y salidas análogas TM3AM6G FUENTE https://www.schneider-electric.com

3.3.

VARIADOR DE FRECUENCIA

Se decide adquirir un variador de frecuencia ACS150 de la marca ABB como parte del actuador para el control PID. Se opta por esta modelo debido a su versatilidad en uso y su bajo costo en el mercado. Además de la basta historia y confiabilidad en cuanto a VFD´s que tiene la marca ABB.

Figura 2. 7 Variador de frecuencia ACS150 ABB ELABORACIÓN PROPIA

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Procedimiento

3.4.

MOTOR Se selección un motor WEG M22 trifásico debido que algunas características eléctricas deben ser iguales a las del VFD. Como es el caso de potencia y voltaje de alimentación.

Figura 2. 8 motor trifásico WEG M22 0.5 Hp ELABORACIÓN PROPIA

3.5.

SENSORES DE TEMPERATURA Se selección un sensor de temperatura resistivo PT-100 el cual cumple con el rango de temperatura de proceso, Un detalle importante es que el sensor elegido es de 3 hilos debido a que las variaciones pequeñas de temperatura influyen bastante el en proceso de elaboración de yogurt, lo cual también indica que se hará uso de un transductor para la comunicación con el PLC.

Figura 2. 9 Sensor de temperatura PT-100 3 hilos FUENTE https://www.electrored.com.bo/

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Procedimiento

3.6.

RESISTENCIA Se elige una resistencia de tipo banda con el fin de introducir el PT-100 en el interior para que la lectura creciente pueda ser controlada por el lazo PID.

Figura 2. 10 RESISTENCIA ELÉCTRICA TIPO BANDA 220 V ELABORACIÓN PROPIA

4. ELABORACIÓN DEL DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN Con las etapas definidas y la cantidad de elementos de control a disposición se logra realizar un diagrama que explica la relación entre los equipos de proceso y los instrumentos de control. Para la elaboración del diagrama de tuberías e instrumentación se utilizó el software de diseño AutoCAD P&ID 2016.

5. DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO 5.1.

ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

Se realizó el dimensionamiento de fusibles y conductores para cada uno de los elementos que se utilizan en el sistema los cuales son fuente, PLC, transformador, motor, resistencia eléctrica, electroválvula y luces. a) Cálculo capacidad de protección El cálculo de la corriente de protección al utilizar en los fusibles se realiza con la siguiente fórmula:

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Procedimiento

Ecuación 1 Ecuación para corriente de protección para fusibles

Ip = k x In Dónde: Ip = Corriente De Protección K = Constante De Protección (1.8 A 2.1) In = Corriente Nominal

Valores de los fusibles En la tabla se muestra la capacidad que tendrá cada fusible, calculado para ser utilizado en el equipo respectivo.

Equipo

Corriente nominal Valor del fusible

Plc Motor

0.091 A 0.42 A

3A 4A

Variador de frecuencia

1.1 A

6A

fuente

45 mA

7A

Tabla 8 TAMAÑO DE LOS FUSIBLES A INSTALAR ELABORACIÓN PROPIA

De acuerdo a las características de cada equipo se tiene: a) Breaker monofásico: Se decide por 2 breakers monofásicos de la marca CHINT de 6 y de 3 amperios para la protección del PLC y de la fuente externa como se ve en la fig. 13

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Procedimiento

Figura 2. 11 Disyuntor monofásico CHINT ELABORACIÓN PROPIA

b) Breaker trifásico: En relación a la características del Variador de frecuencia y del motor, se decide por 2 breakers trifásicos de la marca CHINT de 10 amperios ambos.

Fig. 14 breaker monofásico Marca CHINT Fuente: elaboración propia

5.2.

ATERRAMIENTO Se planifica ocupar 3 borneras para crear una especia de nodo con el fin de juntar las “tierras” del PLC, motor y variador para luego conectarlas al sistema de aterramiento del ambiente donde se opere, la finalidad es la protección de los equipos y el resguardo al momento de armar y operar en el tablero eléctrico.

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Procedimiento

Fig. 15 bornes de conexión de puesta a tierra Fuente: https://es.123rf.com/photo_26546931_bloques-de-terminales-para-bornes-de-conexión

5.3.

DIAGRAMA DEL CIRCUITO DE MANDO

En la figura 13 se diseñó el circuito de mando, en el cual se muestra la conexión del contactor para el arranque de la maquina además de la conexión de cada uno de los equipos con sus protecciones: fusibles y relé.

5.4.

ELABORACIÓN DEL DIAGRAMA UNIFILAR Y ELÉCTRICO

Para la elaboración del diagrama unifilar y eléctrico se utilizó el software de diseño AutoCAD Electrical 2018.

6. ARMADO Y CABLEADO DEL TABLERO Cada equipo de control como el variador o el PLC requiere de espacios específicos para su correcto funcionamiento todo ello bajo especificaciones de uso. De esta manera se dimensiona un melaminico con superficie suficiente y se decide por dimensiones de 0.71 m x 0.71 m x 0.01 m (alto, largo, grosor). Se procede por colocar primero las rieles de guía o rieles DIN que nos sirven para montar los cicuitos, el tablero se ve divido en 3 partes. La primera es la etapa de protección, donde están los disyuntores o breakers y los contactores En la segunda se encuentra todo sobre control, señales de entrada, actuadores y PLC. Ya para la etapa final está la distribución y convergencia. Donde están las borneras de distribución del PLC y fuente y convergencia o nudo de la tierra.

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Procedimiento

7. PROGRAMACIÓN DEL PLC La descripción gráfica del algoritmo de programación se muestra en la fig. 7.1 que muestra el tipo de control en cada etapa del proceso. Para la programación del PLC M221 CE24R se utilizó el software SoMachine Basic V1.5. En cuanto al Control PID se pretende obtener las constantes de corrección (P, td, ti) mediante la opción del SoMachine Basic de AUTO-TUNNING que presenta el programa. Lógica del proceso: 1. Inicialización de estado. Si pulsador de marcha= habilitado/On V-001 abierto 100% Si Temp. 1 >= 50ºC Activar BBA-001 pasado 2 segundos de la válvula 2. Control PID. Si sensor de entrada del horno se activa Iniciar PID Temp. Set = 80ºC Out = V-002 in= TS-100

3. Pausterizacion. Condición inicial resistencia y válvulas apagadas Si LSL-001 está activado entonces inicia pausterizacion Si HSL-001 esta desactivado entonces apagar Horno, V-001, BBA-001 Si HSL-001 activado y Temp. 1 >= 80ºC entonces iniciar temporizador 1 = 5 min. Si HSL-001 activado y Temp. 1 < 80ºC (SP) entonces encender R-001 (resistencia) 4. Enfriamiento. Finalizado la pausterizacion encender C-001, V-002 y BBA-002 Si Temp. 2 = 45ºC entonces Inicio etapa de incubación agregando el cultivo Después del agregado encender mezclador ME-001 con temporizador de t2 = 2 min Finalizado el t2 iniciar con el temporizador de incubación t3 = 4 horas Finalizado el t3 encender mezclador ME-001 con temporizador de t4 = 5 min Finalizado el t4 activar V-003 (descarga) Activado el LSL-002 indica el fin del proceso.

Actuadores Señales I/O

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Procedimiento

ALGORITMO DE LA PROGRAMACIÓN T

Inicio SI T1>= 50ºc Nivel Temperatura Flujo Tiempo

TIMER1: 5 MIN.

R-001 ON

VR-100 GAS = 100% ABIERTO PID; SET= 80ºC, OUT= VC, I= TI

V-002 ABIERTO BBA-002 ON V-002 ON

SI T1>= 50ºc SI T1=45ºc

MIXER-001 ON t2: 2 min

TIMER t3: 4 hrs.

MIXER-001 ON t4: 5 min

VF-004 ON Seminario de grado

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SI LSL-003 ON

Procedimiento

8. DISEÑO DE LA INTERFAZ Básicamente el panel del operador es una herramienta principal con la cual se puede supervisar y controlar el proceso. La idea básica es mostrar información operativa en tiempo real. Para cumplir con su cometido se debe procurar   

Evitar añadir exceso de datos Añadir gráficos relevantes Datos, Variables criticas siempre visibles

Planilla o Pestañas a) Pantalla inicial: En la pantalla inicial se muestra la caratula del programa con 4 Botones para ingresar a las demás planillas. b) Ingresar parámetro Dentro de esta planilla se encuentran dos filas una que muestra los valores actuales de las variables de tiempo y temperatura y en la segunda fila ventanas donde se pueden ingresar los nuevos valores c) Proceso Dentro de la planilla proceso se muestra los estados de los actuadores digitales, los valores de las variables, los estados de los equipos de campo (Nivel). Una visión panorámica del proceso. d) Alarmas Seminario de grado

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Procedimiento

En esta sección que busca generar un historial de fallas o advertencias para realizar seguimientos al desempeño de instrumentos o equipos. e) Gráficos En la pestaña Gráficos se busca comparar los valores de Set con los valores actuales de manera que sea fácil observar la tendencia de cada etapa. La programación del SCADA se realiza gracias al software TIA Portal V13 instalado en una computadora portátil, pasando a ser nuestro HMI.

9. IMPLEMENTACIÓN DEL INTERFACE MAQUINA-HOMBRE La implementación de la interfaz requiere que dos programas corran en simultáneo dentro de la PC portátil para convertirla en nuestro HMI.

En nuestro caso los programas serian SoMachine Basic con la programación del PLC correspondiente y el TIA Portal con nuestras pestañas creadas y algunos detalles de diseño como imágenes animaciones etc. El objetivo de la implementación es comunicar estos dos programas por tanto se comienza a direccionar las palabras memoria (%MW x.z.) del PLC al SCADA y se verifica que realicen las operación para las cuales fueron programadas en el PLC. Concluida el direccionamiento la PC portátil ahora puede trabajar como una interface para el operador.

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Resultados

CAPÍTULO III RESULTADOS

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Conclusiones y recomendaciones

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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Referencias y Bibliografía

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA Referencias Listado de las fuentes citadas en orden alfabético.

Bibliografía Listado de la fuente consultada, pero no citadas en orden alfabético.

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Anexos

ANEXOS Información detallada que el postulante crea que es necesario presentar, dentro del contenido se debe mencionar que se presenta en Anexo dicha información.

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