automatizacion de banco de pr´ acticas como´ modulo de

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

UNIDAD DOCENTE DE MECANICA DE FLUIDOS

Automatizacion de Banco de Practicas ComoModulo de Ensayo de Industria 4.0

Redactado por:David Martınez de la Cruz

Revisado por:Jorge Munoz Paniagua

“Cualquier ingeniero experto puede tomar el control a distancia de cualquier ‘cosa’ conectada.

La sociedad aun no se ha percatado de los increıbles escenarios que se pueden crear con esta

capacidad.”

Andre Kudelski, Presidente y CEO del Grupo Kudelski

Agradecimientos

Este proyecto se ha realizado a lo largo de todo un ano academico, solapandose con clases y

practicas, lo que ha hecho que hayan sido unos meses de intenso trabajo y esfuerzo que han ter-

minado dando sus frutos. Todo esto no se podrıa haber llevado a cabo sin la ayuda de numerosas

personas que, de una manera u otra, han servido de apoyo y han sido igualmente participantes

de esta aventura.

En primer lugar, agradecer a Alberto Alonso Martın la oportunidad que me brindo al ofrecerme

este proyecto y su tiempo y paciencia para responder todas mis dudas.

Agradecer al tutor de este trabajo, Jorge Munoz, siempre disponible para cualquier consulta, y

al laboral tecnico Javier Gutierrez por su constante ayuda.

A todos los companeros de Siemens: Natalia, Pedro, Marta, Hector, Berta, Cesar, Roberto, Ana,

Nicolas, etc. Su aportacion profesional y personal tanto al proyecto como a la beca ha facili-

tado la realizacion del proyecto, resolviendo problemas clave, y han garantizado un agradable

ambiente de trabajo.

A los amigos y companeros, que han hecho que este trayecto, aunque duro, haya sido bonito y

nunca hayan faltado las risas, las bromas y hayamos salidos aun mas fuertes de lo que entramos.

A Alejandra, un pilar basico en el que apoyarse durante los momentos mas duros con su com-

panıa, fuese en persona o en la lejanıa, acompanandome hasta la hora que hiciese falta para

poder terminar el proyecto y con sus pequenos aperitivos y meriendas que alegran a cualquiera

cuando las cosas no salen como uno planea.

A mi familia, que siempre me ha apoyado desde los inicios de mis tiempos y siempre han salido

al paso a la hora de resolver cualquier tipo de problema y siempre han aportado los medios y los

animos para poder estar aquı.

4

Indice general

Agradecimientos 4

Indice de Figuras 8

Indice de Cuadros 11

Nomenclatura 12

1. 1. Resumen 151.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2. El Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3. El Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4. Resultados, conclusiones y futuro trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2. 2. Estructura del trabajo 21

3. 3. Introduccion 233.1. Industria 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2. Necesidades de la Unidad Docente de Mecanica de Fluidos . . . . . . . . . . . 25

3.2.1. Practicas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.2. Bancadas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3. Definicion del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.1. Antecedentes de la Industria 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.2. Origen del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.3. Alcance del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.4. Objetivos del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3.5. Reparto de responsabilidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. 4. Conceptos teoricos fundamentales 334.1. Mecanica de Fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1.1. Adimensionalizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.1.2. Regimen Laminar y Regimen Turbulento . . . . . . . . . . . . . . . . 354.1.3. Perdidas de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.1.4. Tecnicas de Medida de Caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.1.5. Curvas caracterısticas de Bombas centrıfugas . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2. Comunicaciones y Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2.1. Topologıas de conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2.2. Estandares de Comunicacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5

Indice general

4.2.3. Arquitectura del Sistema PCS7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5. 5. Descripcion del Banco de Practicas 595.1. Modulos de la Maqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2. Descripcion del funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2.1. Seccion de impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.2.2. Seccion de calibracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.2.3. Seccion de comprobacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.3. Principales componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.3.1. Componentes Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.3.2. Componentes Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6. 6. Configuracion y programacion 716.1. Configuracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.1.1. Configuracion fısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.1.2. Configuracion digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.2. Programacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2.1. Consideraciones previas a la programacion . . . . . . . . . . . . . . . 776.2.2. Estructura del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.2.3. Control y Medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.2.4. Elementos adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7. 7. Interfaz grafica y SCADA 857.1. Consideraciones previas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.2. Estructura del SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867.3. Desarrollo del SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7.3.1. Imagen del Banco de Practicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877.3.2. Imagenes de Practicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907.3.3. Manejo de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

8. 8. Puesta en marcha 95

9. 9. Resultados 979.1. Consecucion de los objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979.2. Impacto Institucional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 989.3. Impacto Ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

10. 10. Conclusiones 99

11. 11. Futuro del Banco 10111.1. Resolucion de Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10111.2. Ampliacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10111.3. Industria 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10211.4. Formacion Academica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

12. 12. Planificacion temporal y Costes 10312.1. Estructura temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

12.1.1. EDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10312.1.2. Diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Indice general

12.2. Costes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Bibliografıa 111

Indice de figuras

1.1. Banco finalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2. Ejemplos de las acciones realizadas durante el proyecto . . . . . . . . . . . . . 17

3.1. Evolucion de la industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2. Bancada de caudalımetros actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3. Bancada de medida perdida de carga actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4. Bancada de bombas actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.5. Maqueta embotelladora presentada por Siemens en la Feria de Hannover 2016 . 29

4.1. Flujo Laminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2. Flujo Turbulento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3. Diagrama de Moody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.4. Tubo Venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.5. Requisitos geometricos para venturımetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.6. Requisitos geometricos y montaje de una placa de orificio . . . . . . . . . . . . 414.7. Funcionamiento del caudalımetro Vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.8. Funcionamiento de los caudalımetros Coriolis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.9. Caudalımetro ultrasonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.10. Caudalımetro Electromagnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.11. Familia de curvas H-Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.12. Curva P-Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.13. Curva η-Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.14. Curva NPSHr-P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.15. Curva η-NPSHr-H-Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.16. Conexion tipo Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.17. Conexion tipo Anillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.18. Conexiones tipo Estrella y Arbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.19. Protocolos de comunicacion Profibus y sus caracterısticas y aplicaciones . . . . 544.20. Arquitectura de un sistema PCS7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.1. Seccion de impulsion del banco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.2. Seccion de calibracion del banco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.3. Seccion de comprobacion del banco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.4. Interfaz de SIMATIC Manager y HW Config (Derecha) . . . . . . . . . . . . . 645.5. Programacion logica en CFC y SFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.6. Interfaz de PLCSim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.7. Interfaz del programa WinCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.8. SCADA creado con WinCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

9

Indice de Figuras

5.9. Interfaz de SIMATIC PDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.10. Interfaz del STARTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.1. Montaje de sensores ultrasonicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.2. Configuracion de la tarjeta de red del PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.3. Asistente de creacion de proyectos PCS7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.4. Configuracion de la ES en el HW Config . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.5. Configuracion del telegrama de comunicacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.6. Configuracion de la OS en el HW Config . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.7. Vistas de Planta (derecha) y Componente (izquierda) . . . . . . . . . . . . . . 796.8. Esquema CFC para el control de las valvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.9. Esquema CFC para la monitorizacion de los sensores . . . . . . . . . . . . . . 806.10. Esquema CFC para el control de las bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.11. Esquema CFC para el control de emergencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.12. Esquema CFC para el control del modo operativo de la maqueta . . . . . . . . 836.13. Esquema CFC para la seleccion de la posicion de las valvulas de la seccion de

Impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.14. Esquema CFC para la seleccion de la posicion de las valvulas de la seccion de

Medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.15. Esquema CFC para la seleccion de la posicion de las valvulas de la seccion de

Comprobacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.1. Interfaz del paqueta WinCC Graphics Designer . . . . . . . . . . . . . . . . . 877.2. Faceplates empleados en la programacion de la maqueta . . . . . . . . . . . . 887.3. Imagen del Banco de Practicas en Modo Manual . . . . . . . . . . . . . . . . 897.4. Imagen del Banco de Practicas en Modo Automatico . . . . . . . . . . . . . . 897.5. Imagen del Banco de Practicas en situacion de Emergencia . . . . . . . . . . . 907.6. Imagen de la practica de Maquinas Hidraulicas en Modo Manual . . . . . . . . 917.7. Imagen de la practica de Maquinas Hidraulicas en Modo Automatico . . . . . . 927.8. Imagen de la practica de Mecanica de Fluidos II en Modo Manual . . . . . . . 937.9. Imagen de la practica de Mecanica de Fluidos II en Modo Automatico . . . . . 937.10. Interfaz del programa Tag Logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

12.1. EDP del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10412.2. Diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Indice de cuadros

5.1. Componentes Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.1. Estructura del telegrama 352 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.2. Operativa de valvulas y bombas en modo de emergencia y seguridad . . . . . . 81

12.1. Costes humanos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10612.2. Costes del material del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

11

Nomenclatura

UDMF Unidad Docente de Mecanica de Fluidos

ETSII Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales

UPM Universidad Politecnica de Madrid

PLC Programmable Logic Controller

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

HMI Human Machine Interface

TFG Trabajo de Fin de Grado

ECTS European Credit Transfer and Accumulation System

13

1. Resumen

1.1. Introduccion

La Industria 4.0 es el futuro del sector industrial a nivel mundial. Este concepto sebasa en una gran flexibilidad en el proceso productivo para poder satisfacer las necesidades dedistintos clientes sin tener que parar la planta, en la optimizacion de los procesos productivosy la mejora del diseno y la funcionalidad mediante una simulacion virtual que permita ensayarcon las instalaciones.

Para hacer esto posible, es necesario una comunicacion continua entre todos los ele-mentos que intervienen en el proceso, sensores y actuadores; una digitalizacion de la industria;un aprovechamiento y uso del Big Data y la conexion, no solo a nivel local, sino entre diferen-tes terminales y diferentes instalaciones, lo que permita un rapido trafico de informacion de unpunto a otro.

Debido al gran desarrollo de Siemens en este campo y la busqueda de la ampliaciony mejora del material de practicas de la Unidad Docente de Mecanica de Fluidos (UDMF) dela Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) de la Universidad Politecnicade Madrid (UPM), surge una relacion profesional entre estas dos instituciones, de las cualesnace este proyecto, la construccion y programacion de un banco de practicas con una finalidadacademica que se localizara en le UDMF.

La finalidad de este proyecto es crear una maqueta en la que se puedan realizar practi-cas de las asignaturas Maquinas Hidraulicas y Mecanica de Fluidos II, ambas impartidas por laUDMF. Este banco contara con las ultimas tecnologıas de instrumentacion industrial, sensoresque provendran de Siemens; y una estacion de control y automatizacion para realizar el controlde todo el sistema.

1.2. El Equipo

Con el objetivo de sustituir las maquetas existentes en el laboratorio especializadaspara las practicas mencionadas, se ha elaborado un nuevo banco de ensayos que auna muchosde los elementos empleados y ofrece una gran posibilidad de desarrollo y aprendizaje gracias ala novedosa tecnologıa que incluye.

15

Automatizacion de Banco de Practicas Como Modulo de Ensayo de Industria 4.0

La componente fısica de la maqueta se puede distribuir en tres secciones principales:seccion de impulsion, la cual cuenta con un deposito de reposo, dos bombas cuyas posicionesrelativas podran configurarse y un caudalımetro masico y medidor de nivel; seccion de medidao calibracion, que contara con los principales elementos de medida, caudalımetros vortex, ven-turi, de placa orificio, ultrasonidos y electromagnetico; y una seccion de comprobacion con undeposito de pesaje dotado de una celula de carga para comprobar las medidas. Ademas, inclu-ye un circuito electrico que proporciona la alimentacion a todos los componentes y un sistemaneumatico provisto de valvulas que controlan el flujo del agua a traves de las tuberıas en lasdiferentes secciones.

En cuanto al control de la maqueta, se empleara un PLC de Siemens, en concretola CPU 410-5H, y un conjunto de periferia descentralizada que se comunicara mediante losdiferentes estandares que se emplean en el sector industrial, Profibus DP, Profibus PA, Profinet,4-20mA, etc. Esta periferia se conectara con los sensores y actuadores, permitiendo su manejoy monitorizacion.

Por ultimo, se cuenta con un PC mediante el cual se programara la logica del sistemay se desarrollara una interfaz grafica o SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)que permita la interaccion con los elementos del banco y el almacenamiento de las variablesmedidas.

Imagen 1.1: Banco finalizado

16 ETSII - Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)

Resumen

1.3. El Proyecto

La idea principal en la que se fundamenta la maqueta es crear una alternativa parala realizacion de las practicas de obtencion de las curvas caracterısticas de las bombas paraMaquinas Hidraulicas, y las practicas de medida de perdidas de carga y caudal para Mecanicade Fluidos II. Para esto, y puesto que la maqueta se encontraba ya finalizada fısicamente, esnecesario la consecucion de dos objetivos principales.

En primer lugar, la configuracion y programacion basica y de emergencia para poderoperar cada uno de los componentes y que estos actuen segun lo planeado en caso de que seproduzca un error en la planta. A continuacion se realizara la logica necesaria para permitir elfuncionamiento en distintos modos, manual y automatico, y para realizar las practicas.

Para esto sera necesario establecer la comunicacion con todos los actuadores e imple-mentarlos en el software SIMATIC PCS7, entorno en el cual se trabajara. Cada uno de estosactuadores dispondra de unas salidas sobre las cuales habra que actuar en funcion del modode operacion de la maqueta. La lectura de los sensores sera imprescindible para configurar lasituacion de emergencia, por lo que se establecera la programacion necesaria para obtener lasmedidas.

Seguidamente habra que realizar la interfaz mediante la cual el usuario controlara elbanco y leera y tomara los datos de los sensores necesarios para realizar los ensayos. Ademas,habra que configurar el proceso de almacenamiento de datos y el guardado de estos para su usoposterior por los alumnos a la hora de redactar las memorias.

Este SCADA se desarrollara mediante el programa de Siemens WinCC, el cual contie-ne multiples paquetes software que permitiran en primer lugar crear imagenes que reproduzcanel banco y se muestren los campos sobre los que actuar, ya sean botones o faceplates (image-nes predisenadas e incluidas en las lıbrerias de PCS7), asociados a cada actuador y cada sensorparticularmente. Como ultima accion, este programa permitira la gestion de los datos, la cual seconfigurara para que se obtengan los valores mas relevantes para la realizacion de las practicas.

(a) Ejemplo de programacion en SIMATICPCS7

(b) Ejemplo de imagen para el control de lamaqueta

Imagen 1.2: Ejemplos de las acciones realizadas durante el proyecto

1.4. Resultados, conclusiones y futuro trabajo

El proyecto ha generado resultados en numerosos aspectos, culminando los objetivospropuestos en el inicio del proyecto, fomentando la relacion entre Siemens y la UDMF y como

David Martınez de la Cruz 17


componente academico.

En cuanto a los objetivos, estos se han cumplido y se ha obtenido un banco practica-mente funcional es su totalidad, el cual se puede operar de manera remota desde el PC asociado.Ademas, se ha conseguido la implementacion de la Industria 4.0 que se pretendıa enlazando elcomportamiento de los actuadores y los sensores.

Respecto a la relacion, este proyecto ha consolidado esta interaccion que se comenzohace anos con el inicio del banco. Esta asociacion beneficia a ambas partes, pues mientras Sie-mens obtiene un amplio escaparate en el que mostrar sus ultimas tecnologıas y familiarizar a losalumnos con sus componentes, la UDMF consigue un banco de practicas moderno y extenso,que permite, no solo la realizacion de estas practicas, sino la posibilidad de ampliar el banco yexplotar todas sus funcionalidades.

En cuanto al aporte academico del proyecto, este proyecto supone no solo la creacionde un banco de practicas de Mecanica de Fluidos. Debido a la fuerte componente de automatiza-cion presente, la maqueta e presenta tambien como complemento de asignaturas exteriores a laUDMF, como puedan ser del Departamento de Automatica o Electronica, ası como la inclusiondel banco en algun Master dedicado a la Industria 4.0.

En el ambito personal, el desarrollo del proyecto, asociado a una beca en el Departa-mento de Instrumentacion de Siemens Espana ha supuesto una primera e intensa, aunque breve,inmersion en el mundo laboral y especialmente en el sector industrial. La forma de actuar deuna gran empresa, la documentacion necesaria en proyectos, el manejo de componentes tecni-cos, etc. son valores que valen en cualquier aplicacion laboral. Ademas, la formacion obtenidaen programacion de PLCs, tanto mediante SIMATIC PCS7 como con TIA Portal es una granherramienta para el futuro profesional.

Sin embargo, aunque la maqueta este funcional, siempre existen pequenos desper-fectos y evoluciones que realizar. Por un lado, es necesario resolver algunos problemas de co-municacion del caudalımetro masico y ultrasonico, los cuales no impiden la realizacion de laspracticas, pero sı limita las posibilidades.

Una vez terminado completamente el banco, se consideran tareas de ampliacion delbanco y sus aplicaciones. Debido a su estado actual, no se pueden medir las perdidas de cargageneradas en los conductos y en las singularidades, para lo que se requerirıa un cambio fısico dela maqueta, lo que conllevarıa gran cantidad de esfuerzo y tiempo. Sobre sus funciones, y paraahondar mas en el concepto de la Industria 4.0, se propone la conexion de la maqueta a la red deInternet, favoreciendo ası el intercambio de datos y el control mediante diferentes dispositivos.No obstante, esto implica un mayor riesgo y vulnerabilidad, por lo que deberıa realizarse conprecaucion.


Resumen

Palabras clave

Automatizacion, Siemens, SIMATIC PCS7, WinCC, PLC, SCADA, HMI, Mecanicade Fluidos, Banco de Practicas.

Codigos UNESCO

331003 - Procesos Industriales331005 - Ingenierıa de Procesos331001 - Equipo Industrial331101 - Tecnologıa de la Automatizacion331102 - Ingenierıa de Control331325 - Bombas y Equipos para Manipulacion de Lıquidos331107 - Instrumentos Electronicos220404 - Mecanica de Fluidos331105 - Equipos Electricos de Control


2. Estructura del trabajo

El siguiente documento representa el desarrollo del proyecto que se ha llevado a cabo. Se haredactado teniendo en mente una sencilla comprension por parte del lector, explicando previa-mente los conceptos y las bases, para continuar con la investigacion y la ejecucion del planinicial y finalizar con un breve resumen y analisis del trabajo realizado.

En primer lugar se presenta el ambiente en el que se desarrolla este proyecto. Semuestra la situacion actual del sector industrial y las bases de esta, sobre las cuales se erigirael concepto de la maqueta continuacion, se expondra el papel que juegan ambas identidades eneste proyecto, Siemens y la UDMF, y los beneficios y necesidades de cada uno de ellos. Parafinalizar la introduccion, se realizara una breve descripcion de los orıgenes y los motivos de esteproyecto, ası como sus objetivos y las acciones de cada componente.

Conocidos los objetivos, se explican conceptos basicos de Mecanica de Fluidos quesera necesario comprender para entender el funcionamiento de la maqueta y de los elementosque la componen. Junto con estos fundamentos teoricos se incluye una breve descripcion de lascaracterısticas de las comunicaciones, tales como los protocolos que existen, la jerarquıa de unared, etc.

Una vez comprendidos los pilares basicos sobre los que se sostiene la maqueta, seprocede a describir esta, mostrando cada componente que forma parte de ella, ası como losprogramas software que se emplearan durante la configuracion y programacion.

Esta configuracion y programacion sera el siguiente paso, mostrando primeramentela configuracion del banco en el entorno de programacion SIMATIC PCS7 y posteriormentela programacion que se ha realizado y las funciones implementadas. El siguiente paso es larealizacion de la interfaz que permitira el control del banco y la toma de datos y realizacion delas practicas en ultima instancia.

Una vez descrito el proyecto, se pasa a redactar los resultados obtenidos y las conclu-siones del proyecto en diferentes niveles.

Se expresa tambien las acciones restantes por finalizar y el posible camino a seguir.

Todo esto se cerrara con un breve informe sobre la planificacion temporal y un presu-puesto del banco.

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Para finalizar, se tendra la bibliografıa en la que se podran consultar mas en detalleciertos aspectos que se han mencionado en el proyecto.


3. Introduccion

3.1. Industria 4.0

Desde la primera herramienta que se fabrico en la prehistoria, el desarrollo del serhumano ha ido ligado al desarrollo de los productos y procesos. Este conjunto de procesos yproductos forman la industria, que ha permitido un gran avance en muchos ambitos de la vidahumana. Esta industria ha sufrido una tremenda progresion a su vez, distinguiendo varios mo-mentos clave, lo que se conocen como revoluciones industriales, las cuales se pueden observaren la Imagen 3.1.

Imagen 3.1: Evolucion de la industria

La Primera Revolucion Industrial tuvo lugar durante la segunda mitad del siglo XVIII,iniciandose en Gran Bretana, expandiendose rapidamente al resto del mundo. Esta revolucionse caracterizo por el paso de una economıa rural a un mundo mas urbano e industrializado,incrementando el escaso uso de las maquinas industriales que empleaban carbon como com-bustible. Durante el siglo XIX se produjeron una serie de cambios, tales como el empleo delacero en masa, la invencion de la radio y telefono, el uso de petroleo y electricidad, la apariciondel automovil y avion, que dieron lugar a un proceso de globalizacion a lo largo del mundo yproduciendo cambios no solo en la industria, sino en la sociedad en general. Esta primera glo-balizacion se denomina como la Segunda Revolucion Industrial. Recientemente, la aparicion de

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nuevas tecnologıas de comunicacion como el Internet, la introduccion de microcontroladores yla automatizacion, el uso de nuevas fuentes de energıa como las renovables o el hidrogeno, etc,han dado lugar a la llamada Tercera Revolucion Industrial durante los ultimos anos del siglo XXy primeros de siglo XXI.

Es en esta situacion en la que se encuentra el mercado actual, caracterizado por unagran automatizacion de los procesos para poder atender a un publico cada vez mas exigente,disminuyendo tiempos de produccion y entrega y aumentando la calidad en cada producto. Sinembargo, la evolucion y diferenciacion de los fabricantes sigue siendo necesaria para desta-car en un mercado altamente competitivo una vez se han establecido y asentado las novedadescorrespondientes a la Tercera Revolucion.

Esta diferenciacion se pretende que se produzca a traves de una gran capacidad depersonalizacion del producto y de adaptabilidad al mercado, rapidamente cambiante. Sin em-bargo, esta idea se contrapone a la produccion en masa dominante actualmente, la cual permiteobtener grandes niveles de produccion con bajos costes. Esta produccion en masa necesitarıaadaptarse constantemente y rapidamente a las nuevas condiciones, sin perjudicar los costes conlargas paradas. Esta busqueda de gran flexibilidad en el proceso de produccion es lo que ha dadolugar a la Cuarta Revolucion Industrial, o comunmente llamada, Industria 4.0.

Este nuevo concepto tuvo su origen en Alemania, paıs puntero en tecnologıa industrialy en el desarrollo de nuevas tecnicas y equipos. Fue en la feria de Hannover en 2011 cuando sepresento la base de la idea, la cual aprovecha diferentes nuevas tecnologıas y conceptos, talescomo:

Disponibilidad y uso del Internet de las Cosas (IoT).

Integracion de los procesos tecnicos en las empresas.

Virtualizacion del sistema real.

Fabricas ‘inteligentes’, incluyendo tanto procesos de produccion como productos.

Manejo y analisis de datos a gran escala (Big Data).

La idea principal que reside en el concepto de Industria 4.0 es el trabajo en equipode los diferentes equipos involucrados en el proceso de produccion. La rapida identificacion delas caracterısticas de la unidad concreta sobre la que se esta trabajando en la cadena, la rapidacomunicacion entre los sensores y actuadores, la versatilidad de los instrumentos empleados, etc.son aspectos clave en el correcto desarrollo de esta nueva etapa en la modernizacion industrial.De esta manera, se consigue una mayor variedad de productos en los mismos tiempos y con lamisma calidad que se obtiene actualmente con la produccion en masa.Todo esto ayuda a reducirlos costes que se tienen a lo largo del proceso productivo, que se distribuye de la siguiente formaen las diferentes fases del proceso productivo [1]:

10-30 % en costes de produccion.

10-30 % en costes logısticos.

10-20 % en procesos de control de calidad.


Introduccion

Siemens es uno de los principales impulsores de esta nueva tendencia a nivel mundial.No solo apuesta por la flexibilidad de los sistemas productivos y la reduccion de los costes ytiempos, sino tambien por la digitalizacion de la industria. Esta consiste en la creacion de unmodelo digital de la fabrica que simule el proceso de produccion, modelo que se conecta conlas fases de diseno, optimizacion y almacenamiento, mejorando ası los tiempos de produccion,el control del stock y la seguridad de los empleados al disponer de un sistema digital de entre-namiento. Todo este proceso va asociado tambien de un aumento en la ciberseguridad industrialque proteja los sistemas a emplear.

3.2. Necesidades de la Unidad Docente de Mecanica de Fluidos

3.2.1. Practicas existentes

La Unidad Docente de Mecanica de Fluidos es responsable de la imparticion de di-ferentes asignaturas en el programa docente tanto de los grados ofertados en la ETSII (EscuelaTecnica Superior de Ingenieros Industriales). Entre estas asignaturas se pueden encontrar:

Mecanica de Fluidos II - Grado de Ingenierıa en Tecnologıas Industriales.

Maquinas Hidraulicas y Eolicas - Master en Ingenierıa Industrial.

Ambas asignaturas presentan una dimension practica, la cual permite a los alumnosentrar en contacto con los conceptos teoricos. Estas practicas son realizadas en bancos de practi-cas especializados para la realizacion de las mismas. Con el fin de aclarar el texto posterior deeste proyecto, se muestran a continuacion las diferentes practicas de las asignaturas, ası comolas bancadas empleadas hasta la fecha y los objetivos de las mismas.

3.2.2. Bancadas existentes

3.2.2.1. Medida de caudal - Bancada de caudalımetros

En esta practica se pretende medir caudal tanto en canales cerrados como canalesabiertos. En el primer caso, se emplearan tres tipos de caudalımetros distintos, rotametro, ven-turımetro y diafragma o placa-orificio. Para canales abiertos se dispone de un vertedero, sobreel cual se mide la altura de la corriente de agua.

El objetivo es la obtencion de los coeficientes caracterısticos en cada caudalımetro, asıcomo el coeficiente que relaciona la altura medida con el caudal en el caso del vertedero.

La bancada existente se muestra en la Imagen 3.2. Esta constituida por un deposito,una bomba para impulsar el fluido, la seccion de medida, una tuberıa de retorno, varias valvulaspara controlar el flujo y un cuadro electrico que permite el accionamiento de la bomba. El caudalque circule por el banco se regulara mediante la apertura de la valvula situada en la parte finalde la seccion de medida.



Imagen 3.2: Bancada de caudalımetros actual

La seccion de medida esta constituida por una tuberıa de PVC, siendo esta sustituidapor otra transparente en las zonas donde se alojan los elementos de medida. El primero de estoselementos es un venturımetro situado en la zona horizontal inferior. Siguiendo el circuito, enla zona vertical derecha se tiene un rotametro y en la seccion horizontal superior se encuentramontado un caudalımetro de placa de orificio. La medida de este ultimo y del venturımetropueden comprobarse en los medidores de presion diferencial, presentes en el tablero central.

3.2.2.2. Bancada de perdidas de carga

El objetivo de esta practica es obtener los factores de friccion para calcular las perdidasde carga que genera cada alteracion en la tuberıa. Estas perdidas de carga se mediran con unosmanometros en forma de U. Estos manometros seran de agua para singularidades como loscambios de seccion, codos, etc. Sin embargo, en las valvulas, puesto que la perdida de presionsera mayor, estos manometros contendran mercurio.

Como se puede observar en el banco, el cual se muestra en la Imagen 3.3, esta formadopor dos circuitos, uno azul claro y otro azul oscuro, cuyos componentes son:


Introduccion

Imagen 3.3: Bancada de medida perdida de carga actual

Circuito Azul Oscuro

Tuberıa recta

Inglete

Codo regular 90º

Valvula de compuerta

Circuito Azul Claro

Ensanchamiento de seccion

Contraccion de seccion

Curva de radio corto

Curva de radio medio

Curva de radio largo

Tramo recto

Valvula de bola

3.2.2.3. Bancada de bombas

En esta bancada, la cual puede ser observada en la Imagen 3.4, se encuentran montadasdos bombas centrıfugas como elemento principal junto con un deposito, sistema de tuberıas yvalvulas que permiten la realizacion del ensayo. Este sistema permite intercambiar el modode funcionamiento de las bombas entre serie y paralelo. Todo el conjunto esta monitorizadomediante unos sensores electronicos de presion y caudal, los cuales se conectan a un ordenadora traves del cual se observan los valores medidos y se realiza el control sobre las bombas.

El objetivo de la practica consiste en obtener las curvas caracterısticas de funciona-miento de las bombas. Para ello, una bomba se mantiene constante en su punto de funciona-miento optimo, al 70 %, mientras que la otra bomba varıa su entre un 0 % y 100 %. Con los



Imagen 3.4: Bancada de bombas actual

medidores de presion se obtienen los parametros caracterısticos de las bombas, los cuales pue-den ser exportados a un fichero en el ordenador.

Como se ha comentado, el modo de trabajo de las bombas puede ser cambiado entreserie o paralelo. Esto se realiza mediante una valvula de tres vıas que se acciona manualmente.Otro elemento importante es la valvula de compuerta, mediante la cual se regula el caudal quecircula por el circuito.

3.3. Definicion del Proyecto

3.3.1. Antecedentes de la Industria 4.0

El termino industria 4.0 refleja un concepto novedoso, todavıa formandose, y, pese aque fue el Gobierno aleman quien promovio esta nueva revolucion, son las grandes empresas lasque mas estan evolucionando y desarrollando la idea.

Sin embargo, debido a la corta vida de la Industria 4.0 y los retos tecnologicos queconlleva, a dıa de hoy no se pueden encontrar grandes ejemplos en grandes plantas industrialesde la implantacion de este novedoso concepto. Una de las primeras firmas en mostrar al mundolas aplicaciones de esta idea fue Siemens, quien en la Feria de Hannover de 2016 presento unapequena lınea embotelladora en la que se podıan distinguir los rasgos propios de la Industria 4.0:la integracion de los sensores, la comunicacion entre los diferentes elementos, la personalizaciondel producto final, el cual era marcado con una etiqueta para permitir la trazabilidad del mismoy detectar quien habıa realizado el pedido.

Los principales avances se estan llevando a cabo en empresas, aunque algunos centrosde investigacion universitarios sı empiezan a apostar por esta nueva revolucion. No obstante, lo


Introduccion

Imagen 3.5: Maqueta embotelladora presentada por Siemens en la Feria de Hannover 2016

mas sencillo de encontrar son lıneas automatizadas de produccion discretas, no sistemas inteli-gentes completamente integrados.

3.3.2. Origen del Proyecto

La Industria 4.0 es uno de los principales puntos de desarrollo en el ambito industrial,lo que supone un gran interes por parte de empresas y centros de investigacion. Por lo tanto, lasprincipales motivaciones a la hora de emprender este proyecto han sido:

La ausencia de desarrollo en la implantacion de sistemas inteligentes en los procesosindustriales.

La actualizacion y ampliacion de los equipos de practicas disponibles por parte de laUnidad Docente de Mecanica de Fluidos (UDMF), con el fin de ofrecer un mayor abanicode posibilidades de trabajo en los bancos de practicas y disminuir la acumulacion dealumnos en los mismos.

Estos motivos han dado como fruto una colaboracion activa entre la UDMF localizadaen la Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) de la Universidad Politecnicade Madrid (UPM) y el departamento de Digital Factory de Siemens Espana (Siemens). Estacolaboracion ha dado lugar al proyecto que se describe a continuacion en este trabajo. Estetrabajo da respuesta a las necesidades presentadas por ambas partes, pudiendose resumir comoun banco de practicas e investigacion. Las funcionalidades principales del banco son:



Plataforma para el desarrollo de los conceptos y tecnologıas asociadas a la Industria 4.0,ası como muestra de la facilidad de implementar la industria de proceso.

Promocionar la investigacion en la UDMF.

Proporcionar una mejor formacion a los alumnos de la ETSII, los cuales representan elfuturo de la industria e iran unidos al desarrollo de la Industria 4.0.

Para este proyecto se ha seleccionado la industria de proceso por ser la mas afın a laUDMF, por ser una de las ramas con mayor importancia en el ambito industrial nacional y porser la mas ligada a la evolucion de la Industria 4.0.

3.3.3. Alcance del Proyecto

Tratandose este proyecto de una ampliacion del material disponible en la UDMF, esimportante definir la repercusion que tendra sobre la realizacion de las practicas y cuales seranlos principales usos. Por ello, y tras revisar los guiones de practicas actuales, se muestran pri-meramente los requisitos fundamentales:

Comprobar la validez de la teorıa de semejanza en bombas centrıfugas.

Ensenar las diferentes tecnologıas de medidas de caudal disponibles en la industria, tantoen canal cerrado como en canal abierto.

Realizar medidas directas de caudal.

Relacionar el numero de Reynolds con las perdidas de carga en tuberıas.

Realizar todos estos aspectos en el entorno de la Industria 4.0 con los elementos del bancoconectados a un PLC y un sistema SCADA que permita la visualizacion en un ordenador.

A excepcion del ultimo punto relacionado con la Industria 4.0, el resto de requisitosson cumplidos por las bancadas existentes. Por lo tanto, lo que se pretende con este nuevoproyecto es la ampliacion de las practicas ya existentes. Por una parte, la bancada de bombasactual solo permite el control sobre una bomba, mientras que el nuevo banco proporciona uncontrol mucho mas amplio y una mayor variedad de casos de trabajo. De la misma manera, y apesar de que las tecnologıas empleadas son ya antiguas, los medidores de caudal y presion eneste nuevo banco se tratan de la oferta mas avanzada en cuanto a instrumentacion de proceso,ampliando ası conocimientos y capacidades. Ademas, se consigue con este banco un paso mas,pues se muestra la automatizacion de los procesos industriales y los diferentes elementos yconexiones necesarias, tales como el PLC, HMI, SCADA, etc.

Todos estos factores aportan gran flexibilidad a la hora de trabajar, permitiendo asırealizar ensayos con un gran rango de numeros de Reynolds, el cual se puede emplear paracaracterizar cualquier proceso, pues al tratarse de un numero adimensional es independiente delfluido empleado, las condiciones del mismo, etc.


Introduccion

3.3.4. Objetivos del Proyecto

La finalidad ultima del proyecto es servir como bancada de practicas en el que laUDMF pueda desarrollar nuevas practicas academicas y repartir el numero de alumnos entre lasdiferentes bancadas a la hora de realizar practicas ya existentes.

Aun ası, es necesario determinar unos objetivos para el proyecto que se va a llevar acabo y que es mostrado en este trabajo:

Asegurar el correcto funcionamiento de todos los elementos del sistema.

Establecer la comunicacion entre los dispositivos de campo, el PLC y el ordenador.

Programacion del banco

Desarrollo de un sistema SCADA para el control del banco.

Desarrollo de interfaces graficas dedicadas a cada practica a realizar.

Puesta en marcha del banco.

3.3.5. Reparto de responsabilidades

Como se ha comentado, el proyecto surge de una colaboracion entre Siemens y laUDMF. Por su parte, Siemens se responsabilizo de aportar los elementos tecnologicos mas co-munes dentro de la industria de proceso en Espana, tales como instrumentacion de proceso,variadores de frecuencia, etc. Ademas, tambien ha contribuido con la formacion necesaria quese ha requerido para la programacion del banco.

Por otro lado, la UDMF ha sido responsable del resto de elementos necesarios parala maqueta ası como el espacio fısico para realizar el proyecto. Asimismo, la UDMF ha puestoa disposicion del proyecto al laboral tecnico del departamento para ayudar con los aspectosconstructivos del banco.

A pesar de que ha sido el acuerdo entre ambas partes lo que ha motivado el proyecto yha establecido los objetivos del proyecto, ha sido el alumno el que se ha encargado de desarrollarla ingenierıa necesaria, si bien ha sido tutelado y ayudado desde ambas instituciones.

Cabe mencionar tambien que el proyecto se engloba dentro de un programa de practi-cas en Siemens, con una vinculacion laboral de 900h por parte del alumno. Por tanto, esteproyecto requiere una mayor dedicacion que un Trabajo de Fin de Grado (TFG) estandar, el cualse comprende de 12 ECTS (360h).


4. Conceptos teoricos fundamentales

En este apartado se muestran los fundamentos teoricos que han sido empleados en eldiseno y construccion del proyecto, y a partir de los cuales se han tomado las decisiones necesa-rias. Puesto que este proyecto no pretende profundizar en estos conceptos, solo se realizara unadescripcion general acerca de los mismos. Estos conceptos explicados son los siguientes:

Mecanica de Fluidos

Adimensionalizacion

Regimen laminar y turbulento

Perdidas de carga

Tecnicas de medida de caudal

Curvas caracterısticas de una Bomba

Comunicaciones y Control

Topologıas de conexion

Profibus

Profinet

Arquitectura de PCS7

Las principales referencias empleadas para este apartado seran los libros de referenciade las asignaturas de la UDMF [2] [3], los manuales de programa de Siemens [4] [5] [6] [7],trabajos de fin de grado [8] y apuntes universitarios.

4.1. Mecanica de Fluidos

4.1.1. Adimensionalizacion

En el estudio del comportamiento de un sistema fısico a gran escala, la adimensiona-lizacion es una de las herramientas mas empleadas con diversos fines:

Simplificar el problema y obtener un sistema equivalente con un menor numero de va-riables, creando numero adimensionales que se corresponden con las variables fısicas delsistema.

Obtener resultados generalizados, pudiendo intercambiar soluciones con otros sistemasfısicos si los numeros adimensionales son semejantes.

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Obtener modelos simples de los casos de estudio reales, pudiendo ası ahorrar en costes,complejidad y tiempo.

4.1.1.1. Teorema Π

Este teorema fue propuesto por primera vez por Aime Vaschy en 1892, pero fue en1914 cuando Edgar Buckingham lo nombro. Este teorema pretende la generalizacion del procesode obtencion de los numeros adimensionales de un sistema fısico incluso si no se conoce laexpresion que rige el fenomeno. Sin embargo, el teorema no dictamina que numeros presentansentido fısico en cada caso, esta decision queda a cargo del responsable del ensayo.

En el caso de un sistema en el que las n variables de las que depende el sistema (Ai)se relacionen segun una funcion cualquiera, como se muestra en la ecuacion 4.1, y se puedenexpresar en funcion de k magnitudes fısicas, el teorema Π establece que esta se puede reescribiren funcion de n-k numeros adimensionales, tal y como se muestra en la ecuacion 4.2, dondelos numeros adimensionalizados se representan como Πi. Estos parametros adimensionales seconstruyen mediante ecuaciones como la mostrada en la ecuacion 4.3, donde mi son numerosenteros.

f(A1, A2, ..., An) = 0 (4.1)

f(Π1,Π2, ...,Πn−k) = 0 (4.2)

Πi = Am11 Am2

2 ...Amnn (4.3)

Particularizando para el proyecto que se esta llevando a cabo, en Mecanica de Fluidosse establecen dos tipos de ensayos, mecanicos y termodinamicos. En estos casos, las magnitudesfundamentales seran:

Mecanicos k=3

Longitud

Masa

Tiempo

Termodinamicos k=4

Longitud

Masa

Tiempo

Temperatura

4.1.1.2. Numero de Reynolds

Uno de los mas importantes parametros adimensionales en los estudios de Mecanicade Fluidos es el Numero de Reynolds. Este monomio relaciones las fuerzas de inercia del fluido(ρ·v

2

D ) y las fuerzas viscosas (µ·vD2 ). El resultado se muestra en la ecuacion 4.4, donde ρ es la

densidad del fluido [ kgm3 ], vm la velocidad media del mismo [ms ], D es el diametro caracterıstico


Conceptos teoricos fundamentales

de la tuberıa [m] y µ la viscosidad dinamica [ kgm·s ]. En funcion de este numero, se podra clasi-ficar el movimiento del fluido como regimen laminar o regimen turbulento, permitiendo ası lasimplificacion de las ecuaciones de una u otra manera.

Re =ρ · vm ·D

µ(4.4)

En caso de que la tuberıa presente una seccion no circular, la dimension caracterısti-ca D se calculara como una diametro equivalente Deq tal y como se presenta en la siguienteecuacion 4.5, donde A representa el area de la seccion [m2] y P el perımetro de la misma [m]:

Deq =4 ·AP

(4.5)

El estudio mecanico de un fluido se basa en las ecuaciones de Navier-Stokes, mostradaen la ecuacion 4.6.

ρ(dUdt

+ ~v∇~v)

= −∆ρ+ µ∆~v + ρ ~fm (4.6)

Esta ecuacion se puede simplificar, obteniendo la ecuacion de Bernoulli (ecuacion4.7), la cual puede adoptar diferentes formas en funcion del valor del numero de Reynolds. Lascondiciones necesarias para la simplificacion son:

Flujo ideal: µ∆~v = 0

Regimen estacionario: dUdt = 0

Lıquido: ρ = cte

Fuerzas masicas derivan de un potencial:~fm = −∇U

p+ ρv2

2+ ρU = 0 (4.7)

Re� 1 p+ ρv2

2= 0

Re� 1 p+ ρU = 0

Cabe destacar tambien que la imprecision que se comete en estos casos en mınima,permitiendo ası un calculo rapido y preciso.

Este numero adimensional permite tambien una evaluacion sobre el tipo de flujo quese presenta en el interior de la tuberıa, laminar, turbulento o en la zona de transicion entre ambos.Ası, los valores caracterısticos para cada caso seran:

Regimen LaminarTransicion Laminar-Turbulento

Regimen Turbulento

Re < 23002300 < Re < 4000

4000 < Re

4.1.2. Regimen Laminar y Regimen Turbulento

Como se ha visto, en funcion del valor del nº de Reynolds, el flujo dentro de la tuberıapuede considerarse con unas u otras propiedades. Este flujo puede ser laminar o turbulento.



4.1.2.1. Regimen Laminar

El fluido presenta este tipo de flujo para velocidades bajas o diametros equivalentesde tuberıa grandes. En este caso, el flujo se puede asimilar a finas laminas uniformes de fluidoque no interactuan entre sı, como se puede apreciar en la Imagen 4.1. En este caso, la velocidaddel fluido en la vecindad de las paredes es nula, siendo maximo en el centro de la tuberıa.

Las caracterısticas de este flujo es una presion mas uniforme, por lo que las tuberıassoportaran menores esfuerzos y seran mas economicas.

Imagen 4.1: Flujo Laminar

4.1.2.2. Regimen Turbulento

Este regimen se caracteriza por la rotura de las pequenas laminas de fluido tıpicasdel flujo laminar, mezclandose unas con otras por lo tanto y creando un flujo no uniforme, taly como se puede apreciar en la Imagen 4.2. La velocidad a lo ancho de la seccion tampocoes uniforme, lo que implica grandes gradientes de velocidad y presiones que producen mayoresesfuerzo en la tuberıa. Sin embargo, la velocidad en las paredes sigue siendo nula por los efectosde viscosidad.

Imagen 4.2: Flujo Turbulento

4.1.3. Perdidas de carga

La expresion anterior de la ecuacion de Bernoulli, ecuacion 4.7, se ha obtenido asu-miendo unas condiciones ideales. Sin embargo, en caso de no cumplirse estas condiciones idea-les, hay que anadir un termino que tenga en cuenta las perdidas durante el transporte. Estasperdidas es lo que se conocen como perdidas de carga, las cuales son la manera mas comunde medir caudal y determinar la longitud maxima de los sistemas hidraulicos. Estas perdidaspueden ser perdidas lineales en el caso de que la tuberıa por la que circula el fluido sea regu-lar, o perdidas singulares si la tuberıa presenta irregularidades puntuales, como valvulas, codos,cambios de seccion, etc.



4.1.3.1. Perdidas Lineales

Las perdidas lineales se producen por los esfuerzos cortantes viscosos (σp). Con elobjetivo de generalizar los procedimientos, no se emplea esta σp en el calculo, si no que se defineun coeficiente de friccion CF , o coeficiente de friccion corregido (f ), puesto que el coeficientede friccion original presenta valores pequenos y complica su uso. Este coeficiente f se obtienea partir del numero de Reynolds, Re, y de factores geometricos de la tuberıa.

Coef. de Friccion

CF =σP

12 · ρ · vm

Tension en la pared

σp =f · ρ · v2m

8

Coef. de Friccion corregido

f = 4 · CFFlujo Laminar f =

64

ReFlujo Turbulento f = f(Re, ε)

Como se puede observar, en flujo laminar el coeficiente de friccion no se ve afectadopor la geometrıa de la tuberıa y depende unicamente del numero de Reynolds. Sin embargo, enel caso de flujo turbulento, el factor f se ve afectado por la rugosidad relativa, ε, de la tuberıa.Para facilitar el calculo de este coeficiente, Lewis Ferry Moody elaboro el diagrama de Moody,mostrado en la Imagen 4.3, en el que se muestra el coeficiente de friccion f en funcion de losvalores antes mencionados y el diametro D de la tuberıa.

Este diagrama fue obtenido para tuberıas de seccion circular y agua como fluido. En elcaso de que se quisiera emplear otro fluido, serıa necesario recurrir a otro diagrama especıfico.Si la tuberıa no fuese de seccion circular, el unico cambio a realizar es sustituir el diametro Dpor el diametro equivalente Deq calculado en la ecuacion 4.5.

Con todos estos elementos, el calculo de las perdidas lineales (PL) resulta sencilloempelando la ecuacion 4.8, donde rh es el radio hidraulico definido en la ecuacion 4.9.

PL =

∫ 2

1

σpρ · rh

(4.8)rh =

A

L∗ (4.9)

A - Area de la seccionL∗ - Perımetro mojado de la seccion

4.1.3.2. Perdidas singulares

Estas perdidas estan causadas, como se ha comentado, por irregularidades en el flujodel fluidos, tales como codos, cambios de seccion, entradas y salidas de tuberıas, etc. Debidoa la creacion de torbellinos y de un flujo totalmente turbulento y caotico, es complicado obte-ner analıticamente las perdidas ocasionadas por estas singularidades. Por ello, la ecuacion 4.10muestra el calculo de estas perdidas (PS) en funcion de las caracterısticas del flujo, tales comosu velocidad media vm y la densidad del fluido, ρ, y de un parametro, k, que dependera del tipode irregularidad y vendra dado por el fabricante del elemento.



Imagen 4.3: Diagrama de Moody

PS = k · v2m

2· ρ (4.10)

Debido a que en una tuberıa suelen aparecer ambos tipos de perdidas, sera necesariocombinar ambas. De esta manera, las perdidas totales equivalen a la suma de ambos tipos deperdidas a lo largo de todo el conducto, tal y como se muestra en la ecuacion 4.11.

[p+ ρ

v2

2+ ρU

]21

=n∑i

fi ·LiDi· v

2mi

2· ρ+ k · v

2m2

2· ρ (4.11)

4.1.4. Tecnicas de Medida de Caudal

Los diferentes metodos que se han empleado para la medicion de caudal han ido evolu-cionando a lo largo de los anos. Sin embargo, son los que siguen los principios mas tradicionaleslos que mayor cabida tienen en el ambito industrial. Estas tecnicas se basan en la creacion deuna perturbacion en el flujo para comparar las condiciones antes y despues de la perturbacion,permitiendo ası el calculo del caudal que circula.

4.1.4.1. Efecto Venturi

Este fenomeno, demostrado por primera vez en 1797 por Giovanni Battista Venturi,del cual recibe el nombre, consiste en un aumento de la presion al disminuir la velocidad de un



fluido a lo largo de un conducto cuando se disminuye la seccion de este. Para poder emplear esteprincipio, hace falta asumir que se esta trabajando con fluidos incompresibles, en flujo turbulentoy regimen estacionario, por lo que se puede aplicar la ecuacion de Bernoulli (ecuacion 4.7).Para que se pueda aplicar esta expresion a lo largo del conducto, es necesario que no existancambios de seccion bruscos, es decir, es necesario que predominen los efectos dinamicos frentelos efectos viscosos.

Predominio dinamico Relacion con el Re Relacion de velocidades

µ · vTD2 � ρ · vL

L2ρvLDµ · DL = Re · DL � 1 Re� L

D ⇒ D � L⇒ vT � vL

Con las condiciones necesarias, se obtiene por lo tanto que la tuberıa debe mostrar unageometrıa como la que se ilustra en la Imagen 4.4. Particularizando la ecuacion de Bernoulli yla ecuacion de conservacion de la masa, se obtienen las expresiones mostradas a continuacion:

Imagen 4.4: Tubo Venturi

Expresiones particularizadas

p1 + ρ · v21

2= p2 + ρ · v

22

2

Q = A1 · v1 = A2 · v2

A partir de las ecuaciones particularizadas para caso, y dado que las secciones delconducto son un dato conocido, solamente es necesario establecer un medidor de presion encada una de las secciones para obtener la velocidad en una de las secciones. De esta manera sepueden crear caudalımetros que simplemente se reducen a un medidor de presion diferencial, ycon la ayuda de las expresiones mostradas en 4.12, se obtiene el caudal.

A1 · v1 = A2 · v2 ⇒ v2 =A1 · v1A2

p1 + ρv212

= p2 + ρv222⇒ v1 =

√2(p2 − p1)

ρ+ v22

⇒ v2 =

√√√√ 2(p2 − p1)

ρ(A2

2−A21

A22

) (4.12)

A partir de esta expresion de la velocidad, es facil obtener el caudal que circula porla tuberıa. Por lo tanto, para obtener un medidor que emplee el efecto Venturi, bastara con unsimple estrechamiento de la seccion de paso en la que tanto la seccion de mayor tamano y la demenor tamano sean conocidas, el cambio de una a otra sea suave y un medidor diferencial de



presiones entre estas dos secciones. La expresion final para calcular el caudal se muestra en laecuacion 4.13.

Q = A2 · v2 = A2 ·

√√√√ 2(p2 − p1)

ρ ·(A2

2−A21

A22

) (4.13)

Sin embargo, estos caudalımetros deben cumplir una serie de requisitos geometricos,los cuales vienen ilustrados en la norma ISO 5167-1:2003. Como se puede apreciar en la Imagen4.5, la salida presentara forma de cono de 7-8º para mantener el flujo laminar a la salida delventurımetro y minimizar las perdidas de carga. Ademas, la caıda de presion debera ser mınimode un 10-20 % para asegurar una medida fiable por parte del medidor de presion diferencial. Porlo tanto, con estos requisitos quedan determinados los diametros del medidor y la longitud delas tuberıas.

Imagen 4.5: Requisitos geometricos paraventurımetros

Q = Qestimado = v1 ·A1

P1 = Psistema

∆P estimada(P1 − P2) = 0,85 · P1

Relacion de seccionesA1A2

=(1,7·P1·v21

ρ − 1)2

4.1.4.2. Placa de Orificio

Este elemento de medida de caudal, como su nombre indica, se trata de una placa en laque se presenta un orificio concentrico que se coloca perpendicular a la tuberıa. Al pasar el fluidopor este agujero, la seccion de flujo se contrae hasta un mınimo en la zona conocida como ’venacontracta’, donde la velocidad es mayor y por tanto se tiene una menor presion. Por lo tanto, elcaudal se medira gracias a esta diferencia de presiones creadas antes y despues de la placa. Setrata ası de un metodo similar al venturımetro mucho mas compacto y valido para instalacionesen las que se quieran reducir los costes de mantenimiento e instalacion, sacrificando ası precisionen la medida y obteniendo una mayor sensibilidad a las perturbaciones. Las expresiones paracalcular el caudal se muestran a continuacion:

Caudal masico qm = C · πd2

4·√

1−β4·√

2ρ ·∆P Nomenclatura

Caudal volumetrico qv = Cd · π d2

4 ·√

2g ·∆P Perdidas de carga:Pc = αq2v

Relacion de caudales qm = qv · ρ Coeficientes de carga: Cd,C

Relacion de coeficientes dedescarga

Cd = C√2ρg(1−β4)

Relacion de diametros:β = d

D

Observando las ecuaciones, se puede deducir que las variables para el dimensiona-miento de la placa orificio hacen falta multiples variables: el caudal que circulara por la tuberıa,la caıda de presion sufrida en la placa y la relacion de diametros. Sin embargo, la mayorıa de es-tos factores son ya conocidos, pues el caudal de trabajo sera el caudal estimado de la instalacion,la diferencia de presion vendra limitada por el sensor de presion diferencial que se emplee, y las



tuberıas que se usen marcaran el diametro exterior de la placa. Por lo tanto, la unica variable quequeda libre es el diametro interior de la placa, el cual se calculara mediante la ecuacion 4.14.

d4 = D4 16 · q2m2ρ · π2D2C2∆P + 16q2m

= D4 16 · q2v · ρ2ρ · π2D2C2∆P + 16q2v · ρ2

(4.14)

De forma similar que los medidores por efecto Venturi, las placas orificio tendran quecumplir una serie de requisitos geometricos, aplicando en este caso la norma ISO 5167-2:2003.Estas limitaciones y dimensiones propuestas por la norma se muestran en la Imagen 4.6

Imagen 4.6: Requisitos geometricos ymontaje de una placa de orificio

Limitaciones ISO 5167d ≥ 12,5mm

50mm ≤ D ≤ 1000mm

Re ≥ 5000

Para realizar el calculo de los coeficientes de carga se recurre a la ecuacion de Stolz,mostrada en la ecuacion 4.15. Esta ecuacion ha sido ya particularizada para el caso de tuberıasde seccion circular trabajando con agua a temperatura ambiente. El termino B equivale a B =[19000 β

Re ]0,8, el cual se ha tomado para simplificar la expresion.

C = 0,5961 + 0,0261β2− 0,216β8 + 0,000521[106β

Re

]0,7+ (0,0188 + 0,0063B)β3,5

[106

Re

]0,3(4.15)

4.1.4.3. Vortices

El principio de medicion de estos elementos reside en la frecuencia con la que secrean torbellinos al chocar un fluido con un objeto. Este fenomeno fue primera vez detectadopor Leonardo Da Vinci en 1513. Mas adelante, en 1878, fue Strouhal el que primero realizoun estudio cientıfico acerca de la formacion de vortices en la estela del objeto. Como resultadode esta observacion, Strouhal definio el Strouhal, numero adimensional que se muestra en laecuacion 4.16, el cual relaciona la velocidad del fluido (v), la frecuencia de creacion de losvortices (f ) y una dimension caracterıstica del objeto que crea las perturbaciones (d).



St = f · dv

(4.16)

Fue el fısico aleman Theodore Von Karman quien, en 1912, desarrollo a partir de estosprincipios las bases de los caudalımetros Vortex de hoy en dıa. Estos caudalımetros se basan enla idea de que cada geometrıa mantiene una relacion constante con la frecuencia de formacionde vortices. Por lo tanto, conociendo la geometrıa del objeto y la constante que la relaciona conla frecuencia, solo falta conocer el numero Strouhal para determinar la velocidad del fluido ypor lo tanto el caudal una vez conocida la seccion del conducto.

La unica limitacion de estos caudalımetros es la velocidad del fluido. Esta ha de ersuficiente para que se formen los torbellinos. Por ello, para gases la velocidad ha de ser muchomayor que para lıquidos, puesto que estos ultimos presentan la caracterıstica de incompresibi-lidad. En la ecuacion 4.17 se muestra el calculo necesario para obtener el caudal mediante estemedidor.

Imagen 4.7: Funcionamiento del cau-dalımetro Vortex

St = f · dv Q = A · v⇓

Q = A · f · dSt

(4.17)

f : frecuencia de los vortices [Hz]d: ancho del obstaculo [m]

v: velocidad del fluido [ms ]

A: area de la seccion [m2]

Q: caudal [m3

s ]

4.1.4.4. Efecto Coriolis o Masico

Estos caudalımetros se basan en el efecto Coriolis, observado por el frances Gaspard-Gustave Coriolis en 1836. Este efecto afirma que un objeto no seguira una lınea recta si seencuentra en un objeto que esta girando. Esto es, el objeto sufrira una fuerza, denominada Fuerzade Coriolis (ecuacion 4.18), la cual curva la trayectoria del objeto en mayor cantidad cuanto masse aleje del eje de giro.

~Fc = −2m · (~ω × ~v) (4.18)

~Fc : Fuerza de Coriolis [N ]m: masa del objeto [kg]~ω: velocidad angular [s−1]~v: velocidad del objeto [ms ]

Este fenomeno fısico se emplea en los caudalımetros de Coriolis. Estos caudalımetrosson no intrusivos, pudiendo ası medir fluidos mas complejos o viscosos, ya que tiene menor ries-go de obstrucciones y no se ven tan afectado por los cambios de densidad asociados a cambiosde temperatura. Es por esto que estos caudalımetros son ideales para medir caudales masicos.Por ello, estos caudalımetros son tambien conocidos como caudalımetros masicos.

En estos elementos de medida se mide la variacion de la Fuerza de Coriolis de unfluido que pasa a traves de un conducto en resonancia en funcion del caudal masico. Pueden



existir caudalımetros de Coriolis de uno o dos conductos. En la Imagen 4.8 se describe el fun-cionamiento de los sensores de dos conductos, por ser los caudalımetros de Siemens de estetipo.

Imagen 4.8: Funcionamiento de los caudalımetros Coriolis

Si no existe flujo, losconductos no experimentan

el efecto Coriolis.

Cuando la oscilacion de lostubos es positiva con elfluido circulando, estossufren unas Fuerzas deCoriolis como las de la

imagen.

Cuando la oscilacion de lostubos es negativa con elfluido circulando, estossufren unas Fuerzas deCoriolis como las de la

imagen.

Ambos conductos se hacen vibran con la misma onda pero desplazada 180º entre ellas,potenciando ası el efecto que presentan sobre la varilla central. De esta manera, conociendo laoscilacion de los tubos, la frecuencia con la que responde el dispositivo central y las caracterısti-cas del fluidos, se puede establecer la relacion necesaria para obtener el caudal que circula.

Debido al modo de funcionamiento de estos medidores, las vibraciones que tuvieranlugar en la instalacion quizas podrıan llegar a afectar la medida y provocar ruido. Sin embargo,estas oscilaciones presentan frecuencias del orden del hertzio, mientras que los conductos osci-lan con frecuencias del orden de 104 hertzios, por lo que el caudalımetro no se ve afectado, por loque juntando esta caracterıstica junto con su inmunidad a los cambios de volumen, temperaturay presion del fluido, hacen de estos sensores uno de los mas robustos de la industria.

4.1.4.5. Ultrasonidos

Los caudalımetros ultrasonicos emplean las ondas mecanicas del sonido, a muy altasfrecuencias, para determinar el caudal que circula por la tuberıa. Como se puede observa en laImagen 4.9, el sensor dispone de dos transductores (A y B) que envıan senales recıprocamente.



En el caso de que no haya fluido circulando por el caudalımetro, lo tiempos entre un transductory otro seran similares, es decir, tAB = tBA. Sin embargo, debido al efecto Doppler, estostiempos no son similares en el caso de que haya un fluido circulando por el sensor. La ondaque viaja en el sentido del caudal se ve acelerada, mientras que la onda que viaja en el sentidocontrario se ve retardada. De esta manera, tBA > tAB , por lo que gracias a este desfase se puedemedir la velocidad del fluido y sabiendo la seccion de la tuberıa se puede determinar el caudal.

Imagen 4.9: Caudalımetro ultrasonico

La expresion mediante la cual se puede calcular la velocidad del fluido en funcionde parametros geometricos de la tuberıa y de los tiempos de transmision-recepcion en cadatransductor se muestra en la ecuacion 4.19

Velocidad media Caudal del sistema K: cte. geometrica del materialtij : tiempo desde i hasta j

v = KtBA − tABtAB · tBA

(4.19) Q = A · vA: area de la seccion

Gracias a la propia naturaleza de la tecnologıa empleada, estos sensores son no intru-sivos, y por lo tanto pueden ser empleados para medidas de caudal de sustancias contaminanteso con gran viscosidad y tendencia a la obstruccion. Gracias tambien a su sencilla instalacion,esta nueva tecnologıa que se encuentra en desarrollo esta gozando de una gran acogida en elmundo de la instrumentacion industrial.

4.1.4.6. Pulsos electromagneticos

La ley de Faraday de induccion magnetica, enunciada por el fısico britanico MichaelFaraday en 1852, afirma que en cualquier zona en la que se tenga un campo magnetico (B) yun cierto material moviendose con una cierta velocidad (v), se inducira un campo electrico (E)perpendicular a ambos. Por lo tanto, se puede detectar la fuerza electromotriz provocada poreste efecto, y conocido el campo magnetico creado se puede determinar la velocidad del fluidoy con el area de la seccion su caudal. A continuacion se muestran las ecuaciones que expresaneste efecto y la ecuacion 4.20 muestra el calculo para obtener el caudal.



Campo Electrico Inducido Velocidad del Fluido Caudal Volumetrico

~E = k · L(~v × ~B) v = Ek·B·L Q = A · v =

πD2

4 · k · L

(EB

)(4.20)

La variable k viene determinada a traves de una calibracion por vıa humeda segun lanorma ISO 9104.

Las caracterısticas del sensor necesarias para medir el caudal se muestran en la normaISO 6817:1995, de la cual se exponen a continuacion unos rasgos generales. Una vision simpledel funcionamiento del caudalımetro se expone en la Imagen 4.10.

Imagen 4.10: Caudalımetro Electromagnetico

Para realizar la medida del caudal, es necesario montar un tramo de tuberıa no metalicopara que no interfiera en las medidas. A continuacion, es necesario disponer dos bobinas de talmanera que generen un campo magnetico perpendicular al flujo para conseguir que el campoelectrico generado sea maximo. Para detectar este campo electrico, que como se ha mencionadoantes, sera perpendicular tanto al campo magnetico como a la velocidad del fluido, se dispondrandos electrodos que detectaran la diferencia de potencial que se establece entre ellos.

Gracias a la tecnologıa empleada, estos caudalımetros son no instrusivos, por lo quesu mayor aplicacion reside en el campo de las aguas residuales. Otro de los beneficios quepresentan estos sensores son la capacidad de poder aumentar sus dimensiones hasta tuberıas concaudales del orden de m3/s. Ademas, se trata de uno de los caudalımetros que mayor precisionpresenta, viendose aumentada en los ultimos anos gracias a nuevas tecnicas que permiten unapagado y encendido cıclico de las bobinas. De esta manera, se mide la fuerza electromotrizgenerada por el fluido en ausencia de campo, pudiendo luego corregir la medida eliminandoesta medicion indeseable. El unico inconveniente que surge en estos elementos de medida es lanecesidad de que el fluido a medir sea electromagnetico.



4.1.5. Curvas caracterısticas de Bombas centrıfugas

Para poder determinar el funcionamiento de una bomba es necesario conocer ciertosparametros asociados a esta. Los parametros principales de una bomba centrıfuga son:

Altura de la bomba (H). Altura maxima a la que puede bombear el fluido.

Potencia (P ). Potencia demandada por la bomba.

Rendimiento (η). Relacion entre potencia aportada al fluido y potencia empleada por labomba.

Presion mınima de funcionamiento (NPSHr). Presion mınima que debe tener el fluidoa la entrada para que la bomba funcione correctamente.

Todos estos parametros se ven afectados por el caudal (Q) que circula por la bomba.Por ello, las bombas vienen acompanadas de curvas que muestran el comportamiento de lascuatro variables antes mencionadas en funcion del caudal. Ademas, estas curvas son solo validapara un tipo de rodete. Para rodetes con distintas dimensiones se generaran otras curvas que re-lacionen los parametros. Por ello, el fabricante incluye junto con la bomba una familia de curvaspara distintos tamanos de rodetes. Las curvas en los extremos representan el comportamiento dela bomba con los rodetes de dimensiones lımite.

4.1.5.1. Curvas H-Q

El calculo de la altura (H) es directo a partir de la presion (PB), puesto que ambosparametros presentan una relacion lineal como se puede observar en la ecuacion 4.21.

H =pBγ

+ z (4.21)

H: altura de la bomba [m]pB: presion aportada por la bomba [Pa]γ: peso especıfico del fluido [N/m3]

z: cota de la bomba [m]

En el caso de la maqueta con la que se esta trabajando, el fluido se trata de agua a unatemperatura de 20ºC, por lo que su peso especıfico se puede considerar γ=9786N/m3. La unicavariable que falta por determinar, una vez se haya instalado la bomba y se conozca la cota z, esla presion producida por la bomba. Para ello, basta con un medidor de presion diferencial quepresente una toma antes de la bomba y otra despues de esta. Ası, PB = Psalida − Pentrada.

De esta manera se obtienen todos los elementos necesarios para poder elaborar lacurva H −Q. De la misma manera, una bomba podrıa ser caracterizada por la curva ∆P −Q,puesto que su obtencion es mas directa. Sin embargo, es preferible la primera de las curvas porpresentar una magnitud mas facil de entender al tratarse de altura manometrica. Esta familia decurvas H − Q se muestra en la Imagen 4.11, en la cual se muestra la influencia tambien deldiametro del rodete.



Imagen 4.11: Familia de curvas H-Q

Rodete D1 D2

Q=0 H10 H20

Q1 H11 H21

Q2 H12 H22

Qn H1n H2n

Q= max. NPSHr

Estas graficas son obtenidas mediante un ensayo, el cual se inicia con el caudal cerradopara obtener ası la maxima presion. A continuacion, se van variando los caudales y obteniendonuevos valores de presion y por tanto altura. Uniendo estos puntos obtenidos se consiguen lascurvas representadas previamente.

4.1.5.2. Curvas P-Q

En estas curvas se refleja el consumo de potencia por parte del accionamiento de labomba. Por lo tanto, para medir la potencia, es necesario situar un aparato de medida acorde conel funcionamiento propulsor de la bomba. Normalmente se trata de un motor electrico, por lo quecon medir la corriente que consume la bomba sera suficiente, puesto que la tension suministradasera constante. Ası, solo es necesario colocar un amperımetro a la entrada del motor electrico.Un ejemplo de este tipo de curvas se puede observar en la Imagen 4.12.

Imagen 4.12: Curva P-Q

Q=min P=minQ1 P1

Q2 P2

Qn PnQ=max P=max

En el caso de la maqueta del laboratorio, la intensidad se medira a traves de los varia-dores de frecuencia que se emplean para controlar los motores electricos de las bombas comose vera mas adelante.



4.1.5.3. Curvas η-Q

El rendimiento (η) de una bomba centrıfuga se define como la relacion entre la poten-cia hidraulica (Ph) que es capaz de aportar al fluido, en forma de presion o altura, y la potenciaconsumida por el accionamiento de la bomba, potencia electrica (Pe) en el caso que nos ocupa.Debido a las perdidas durante la transmision del movimiento, la potencia hidraulica siempresera menor que la electrica, por lo que el rendimiento nunca superara el 100 %. En la Imagen4.13 se muestra la evolucion de este rendimiento con el caudal.

Imagen 4.13: Curva η-Q

Ph = γ ·Q ·H Pe = Vn · i(t)⇓

η =PhPe

Como se puede observar, no es necesario medir ningun parametro para la elaboracionde las graficas. Estas se realizan con el fin de dar mayor informacion al cliente y determinarel punto de funcionamiento optimo de la bomba, que sera aquel en el que el rendimiento seamayor.

4.1.5.4. Curva NPSHr-Q

Las siglas NPSHr significan en ingles ’Net Positive Suction Head’, es decir, la energıamınima, en forma de presion o altura, que debe tener el fluido al entrar en la bomba para queno se produzcan efectos de cavitacion en los alabes de la bomba y se tenga un flujo continuo enella. Este valor se determina mediante metodos experimentales para cada bomba, y suele venirdado por el fabricante, ya que un ensayo por parte del usuario resulta demasiado costoso.

Imagen 4.14: Curva NPSHr-P



A la hora de representar las graficas, estas se suelen sobreponer unas con otras puestoque se emplean siempre los mismos caudales para cada una de ellas. Esta superposicion puederealizarse de dos maneras: representando las graficas que se consideren necesarias con un unicoeje de abscisas en el que se representa el caudal, o bien encontrando relaciones entre los diferen-tes parametros, como pueda ser por ejemplo la relacion entre rendimiento y altura. Esta segundaforma puede tener un mayor interes en el ambito academico, mientras que lso fabricantes suelenaportar las graficas de la primera manera.

Para realizar las graficas superpuestas se anaden las graficas de rendimiento y deNPSHr a la curva H-Q. Para esto, se toman diferentes rendimientos y valores de NPSHr y seobserva el caudal con el que se corresponden. De esta manera, se colocan sobre las curvas H-Qlos valores de rendimiento y NPSHr marcados. Uniendo los puntos colocados se consigue tenertodas las curvas sobre un mismo grafico. En la Imagen 4.15 se muestra un ejemplo de este tipode graficas.

Imagen 4.15: Curva η-NPSHr-H-Q

4.2. Comunicaciones y Control

4.2.1. Topologıas de conexionado

La interaccion entre dos o mas componentes es una accion basica en cualquier sistemacon mas de un elemento. Ya sea para transmitir informacion de un punto a otro, realizar unproceso en cadena o un procesamiento en paralelo con el mismo fin. Por lo tanto, sera necesarioconectar de alguna manera todos los integrantes del sistema.



Sin embargo, no existe una unica forma de conectar todos los elementos de una red,ni tampoco existe una forma ideal para todos los procesos, la conexion depende de numerososfactores como el tiempo total de proceso, el fin de la conexion, los componentes y sus carac-terısticas, etc. Sin embargo, todos los tipos de conexion se pueden resumir en seis grandes gruposque se muestran a continuacion:

Malla

Estrella

Arbol

Bus

Anillo

Redundante

A continuacion se procede a explicar en mas profundidad los metodos empleados enla maqueta del laboratorio.

4.2.1.1. Bus

Esta tecnologıa de comunicacion se basa en la presencia de un canal central, denomi-nado Bus, al cual los demas componentes se conectan, de tal manera que todos los elementoscomparten el mismo canal. Este metodo se muestra en la Imagen 4.16. Debido a sus simplicidad,es la conexion mas empleada.

Imagen 4.16: Conexion tipo Bus

Se trata de una conexion muy adecuada para la transmision de informacion al presentaruna gran modularidad y por lo tanto facilidad de montaje y gestion. En este tipo de redes sueleexistir un maestro del cual dependen el resto de componentes, que se denominaran esclavos.Estos esclavos solo se comunicaran si no hay ningun otro elemento empleado el Bus o lo solicitael dispositivo maestro. Estos sistemas presentan inconvenientes cuando se engrosa demasiado eltamano de la red, existiendo numerosos esclavos. En estas situaciones, las comunicaciones sonlentas o, en el peor de los casos, el bus no es capaz de transmitir tanta informacion, resultandoinutil la comunicacion. Otro inconveniente es la dependencia de todos los dispositivos del canalcentral. En caso de que este falle, se producirıa la desconexion entre todos los elementos.

En mecanica de fluidos ocurre el mismo problema. Este tipo de conexiones esta li-mitado por el numero de elementos de dependan de la misma red. Debido a las perdidas decarga asociadas a los conductos, los primeros elementos que se encuentren en el Bus obtendranun mayor caudal y presion mientras que en los ultimos tanto el caudal como la presion seran



menores o incluso nulos. Ademas, estas perdidas de carga, como se ha comentado, aumentan alincrementar la longitud, lo que complica aun mas su uso.

4.2.1.2. Anillo

En este metodo de conexion los dispositivos se conectan detras uno de otro a la red.Por lo tanto, cada componente cuenta con una entrada y una salida del anillo.

La principal caracterıstica de este sistema es la capacidad de seguir operando aunquese produzca una rotura de la red en un punto. En caso de que esto se produzca, las red setransformara en una conexion tipo Bus. La unica opcion para dejar aislado un terminal en estared es que se produzca una discontinuidad en dos puntos distintos. En cuanto a la transmisionde informacion, esta arquitectura no presenta ninguna ventaja en especial respecto al metodoanterior.

Imagen 4.17: Conexion tipo Anillo

En Mecanica de Fluidos presenta la ventaja adicional de homogeneizar las condicionespara cada elemento conectado a la red. De esta manera, y contrariamente a la conexion Bus,la posicion de la entrada de caudal a la red es indiferente, puesto que se tiende a la mismascondiciones de presion y caudal para cada salida de la red. Esto presenta un gran beneficio,pues no es necesario ningun sobredimensionamiento ni situar elementos auxiliares que permitanigualar las condiciones.

4.2.1.3. Arbol

La topologıa tipo Arbol consiste en, como su propio nombre indica, representar esteconcepto mediante ramificaciones de la red. Esto es, a partir de un nodo central, la red se separaen diferentes nodos, los cuales vuelven a actuar como nodos centrales y la conexion se ramificaa partir de ellos. Esta morfologıa se puede considerar como una derivacion de la arquitectura deEstrella. Estas dos morfologıas se muestran en la Imagen 4.18.



(a) Conexion tipo Estrella(b) Conexion tipo Arbol

Imagen 4.18: Conexiones tipo Estrella y Arbol

El uso primario de este metodo son sistemas de jerarquizacion y automatizacion, pues-to que cada nivel del arbol actua tanto de esclavo para los niveles superiores y de maestro paralos niveles inferiores, por lo que los niveles mas altos estan aislados de los niveles mas inferiores,permitiendo ası una mayor especializacion y un mejor aprovechamiento de los recursos.

En el campo de la Mecanica de Fluidos, este sistema presenta los mismos problemasque las comunicaciones tipo Bus. Las perdidas de carga a lo largo de los conductos hace que losprimeros niveles del arbol trabajen en las condiciones adecuadas de presion y caudal, mientrasque a los niveles mas bajos no llega casi caudal.

4.2.1.4. Redundante

La morfologıa redundante no presenta una distribucion fısica concreta. El unico con-cepto detras de la redundancia es la duplicacion de las vıas de comunicacion, ya sean del mismotipo o con distinta morfologıa. El objetivo principal de esta duplicacion es la continuidad de laconexion aunque una de las redes se interrumpa. Por lo tanto, cada dispositivo estara conectadode dos maneras distintas al resto de elementos.

En el campo del control y la automatizacion en la industria es un sistema muy impor-tante, donde la comunicacion entre los diferentes elementos, tales como actuadores, sensoresy sistemas de control, no puede fallar. Sin embargo, esta redundancia es mas complicada deconseguir en sistemas donde se intercambian productos fısicos.

En el caso de su aplicacion a la Mecanica de Fluidos, es muy complejo producir unredundancia adecuada, pues al duplicar las conexiones lo que se obtiene es un sistema quetrabaja en paralelo con el ya existente, dividiendo por lo tanto las condiciones de trabajo entrelas dos redes.



4.2.2. Estandares de Comunicacion

Uno de los apartados mas importantes en el entorno de la comunicacion, a parte dela estructura a seguir como se ha visto en el anterior apartado, es el protocolo que se empleapara esta conexion. Existen numerosos protocolos, siendo no todos compatible entre sı y con lossistemas software que se emplean, por lo que es importante conocer la compatibilidad de todoslos elementos incluidos en el proceso de transmision y recepcion de informacion.

En este documento se explican a continuacion algunos de los estandares mas emplea-dos en la industria, especialmente empleados por Siemens y empleados en la maqueta de laUDMF.

4.2.2.1. Profibus

Se trata de un protocolo independiente de proveedores, lo que permite una ampliaaplicacion industrial. Este estandar surgio de la colaboracion entre varias empresas, entre las quese encuentran Bosch, Siemens o ABB, durante los anos 1987-1990. Es un estandar garantizadopor las normas europeas EN 50170 y EN 50254 desde el ano 1996. El nombre de Profibus derivade las palabras inglesas ’PROcess FIeld BUS’.

Como su nombre indica en ingles, se trata de un estandar empleado en la comunica-cion de los elementos de campo, donde las condiciones a soportar son mas duras y la resistenciademandada es mayor. Dentro de esta aplicacion existen diferentes tipos de protocolo Profibus:Profibus PA, ProfiBus DP y Profibus-FMS.

Estos estandares pueden presentar cinco modelos diferentes de conexiones fısicas,siendo la RS-485 y la fibra optica las mas empleadas. El resto de versiones ofrece una resistenciaadicional a atmosferas explosivas en caso de que fuese necesario. A continuacion se desarrollanlos diferentes protocolos de Profibus.

Profibus PA Las siglas ’PA’ significan ’Process Automation’, Automatizacion de Procesos eningles. Este protocolo se emplea en la comunicacion de los dispositivos de campo mas tıpicos,tales como transmisores de presion, temperatura, posicionadores, etc. Su ventaja es la optimi-zacion para el tratamiento de senales analogicas, pudiendo sustituir ası a la transmision clasicade 4-20mA. Sin embargo, presenta la limitacion de que solo se pueden conectar 32 elementos auna misma red.

Profibus DP Se trata de un sistema principalmente empleado para sistemas de automatizaciony sistemas descentralizados, donde se requiere un intercambio de datos rapido y cıclico. Lasletras ’DP’ hacen referencia a las palabras en ingles de ’Descentralized Peripherals’, o Peri-feria Descentralizada. Se trata de un protocolo similar al Profibus PA, permitiendo una mayorvelocidad de comunicacion, de hasta 12Mbit/s.

Debido a su similitud con el Profibus PA, la interconexion entre estos dos protocoloses sencilla puesto que la red DP ve los nodos de la red PA. Gracias a esto, la aplicacion principaldel Profibus DP es la conexion de los PLCs y PCs con los dispositivos de campo o adaptadoresde red necesarios.



Profibus-FMS Se emplea en la comunicacion a alto nivel entre PLCs y PCs (comunicacionPeer-to-Peer). Las iniciales ’FMS’ representan ’Fieldbus Message Specification’, siendo una desus principales caracterısticas la importancia de la funcionalidad de la red frente a una mayorvelocidad de respuesta. Sin embargo, esta siendo reemplazada por el protocolo Ethernet debidoa que es mas eficiente en este tipo de conexiones.

Imagen 4.19: Protocolos de comunicacion Profibus y sus caracterısticas y aplicaciones

4.2.2.2. Profinet

Basado en el modelo de comunicacion de Profibus DP, se trata de un estandar de co-municacion que comparte las mismas caracterısticas que este pero a traves de los protocolos deIndustrial Ethernet, TCP/IP y estandares de comunicacion propios del campo de IT (TecnologıaInformatica). Este tipo de comunicacion viene regido por la norma IEC 61784-2.

Una de las principales caracterısticas que presenta Profinet es la comunicacion entiempo real, para lo cual es necesario que los dispositivos conectados a la red cooperen en el usodel mismo bus sin que se produzcan interrupciones. El numero de estos dispositivos conectadosa una red puede ser practicamente infinito, conectando, no solo elementos independientes, sino conjuntos de dispositivos, aportando una mayor flexibilidad al sistema. Esta posibilidad seda gracias a que la comunicacion a traves de Profinet, y en conjunto con el sistema SIMATICPCS7 (el cual se emplea en este proyecto), se produce con direcciones MAC, un numero unicoasociado a cada elemento de la red, por lo que se eliminan las limitaciones de la tradicionalcomunicacion vıa IP.

Otro gran factor que hace que este estandar se este convirtiendo en el futuro de lascomunicaciones industriales es la posibilidad de establecer cualquier topologıa de conexion.Mientras que en Profibus la conexion tenıa que ser tipo Bus, con Profinet se puede realizarcualquier tipo de conexionado.

Sin embargo, la caracterıstica que mayor versatilidad aporta es el control remoto queofrece. Debido a que se basa en el protocolo de Ethernet, la red con los dispositivos puede seraccedida desde cualquier punto con conexion inalambrica, permitiendo ası el control y manteni-miento de la planta a distancia. Esto implica tambien un gran punto de ataque, ya que cualquierpersona con los conocimientos adecuados podrıa conectarse a la red e inhabilitarla, poniendo en



peligro el proceso productivo. Es por esto que se estan desarrollando nuevas funcionalidades,tales como ProfiSafe, que garantiza una transmision de datos segura.

En el caso de este proyecto, no se expondra una descripcion elaborada de las especi-ficaciones necesarias para la comunicacion, puesto que muchas de estas se realizan sin la inter-accion del usuario. En el caso de que fuese necesario realizar alguna modificacion a la red, paraaumentar la seguridad de esta, incrementar el numero de dispositivos en la red, etc. se realizarıala profundizacion apropiada.

4.2.3. Arquitectura del Sistema PCS7

A continuacion se expone la jerarquıa y organizacion del entorno en el que se va arealizar la maqueta, SIMATIC PCS7, el cual se describira mas adelante. En la Imagen 4.20 semuestra un ejemplo de la disposicion de los elementos en un caso tıpico.

Imagen 4.20: Arquitectura de un sistema PCS7

Como se puede apreciar en la figura, los componentes empleados en construir el sis-tema son multiples. Sin embargo, estos se pueden agrupar en tres grupos principales:



Elementos activos

ES

AS

OS

Buses de comunicacion

Bus de Terminales

Bus de Planta

Bus de Campo

Dispositivos de Campo

Instrumentacion

Actuadores

Controladores

A continuacion se explica brevemente cada uno de los elementos que forman parte deesta estructura. Los dispositivos de campo presentan una importancia menor a la hora de formarla arquitectura, pues no son imprescindibles. Sin embargo, son los dispositivos que nos permitenobtener las variables de proceso, muy importantes para el control.

4.2.3.1. AS - Estacion de Automatizacion

Se trata de la unidad donde se realizan las tareas logicas programas en la ES. Estasoperaciones son realizadas por el dispositivo conocido como PLC. Este PLC es basicamenteuna CPU, la cual esta acompanada por una fuente de alimentacion, PS, y opcionalmente por unconjunto de modulos de entradas y salidas (E/S) o de comunicacion Ethernet o Profibus DP, loscuales proporcionan los datos necesarios para ejecutar la programacion.

La labor de este PLC es independiente de los niveles superiores, pudiendo actuar in-cluso desconectandolo de la ES una vez que se haya cargado el proyecto requerido. Para ello,este PLC necesitara contener en el propio programa la instrumentacion de la instalacion y elconexionado con ella.

En el caso de la maqueta que se describe en este proyecto, este PLC estara conectadoal resto de dispositivos de campo tanto por Profibus DP como por Ethernet, puesto que el PLCempleado, la CPU 410-5H, presenta estos tipos de conexiones.

4.2.3.2. OS - Estacion de Operador

Una vez la AS ha sido cargada con el proyecto elaborado en la ES, el proceso ha deser monitorizado y controlado durante su funcionamiento. Esta es la tarea de la Estacion deOperador, monitorizar el estado de todas las variables de proceso, archivar los valores que tomadurante el funcionamiento y avisar al encargado en caso de que se produzca algun error duranteel proceso.

Para llevar esto a cabo, la OS se compone de numerosas imagenes de proceso, presen-tando ası una gran flexibilidad a la hora de controlar cada estacion dentro de una gran instalacion.Este control puede realizarse desde un mismo ordenador, formando ası un ’OS Single Station’;o puede realizarse mediante mas de un terminal, empleando uno como terminal principal dondealmacenar y gestionar los datos, conocido como ’OS Servidor’, y otros terminales desde los queejercer el control de manera remota conectandose al servidor, denominados ’OS Cliente’.

En el caso de la maqueta, al tratarse de un proyecto de pequena escala, la OS y la ESse pueden juntar en un mismo ordenador a fin de simplificar las comunicaciones y conseguir unproyecto mas seguro frente a ataques externos.



4.2.3.3. ES - Estacion de Ingenierıa

Es en este componente en el que se realiza, como su nombre indica, la mayor parte dela ingenierıa asociada al control de la instalacion. En ella se crean los proyectos y se comunicatanto con la OS como con la AS. Debido a esta doble comunicacion, es aquı donde se realizatoda la programacion de la logica y la configuracion de las comunicaciones y del hardware parala AS, lo que se conoce como Ingenierıa de la AS; y se crean las imagenes de la OS, ası comola gestion del almacenamiento de datos, labor conocida como Ingenierıa de la OS.

4.2.3.4. Buses de Comunicacion

Tal y como se ha mencionado previamente, otro de los factores esenciales a la horade construir un sistema PCS7 son los buses para comunicar cada uno de los elementos. Dentrode estos se pueden apreciar distintos tipos de buses en funcion de la finalidad y el nivel deaplicacion que tengan.

Bus de Terminales Se trata del medio de conexion entre los terminales servidores y los ter-minales clientes. Esto es, permite la comunicacion de los ’OS Clientes’ con los ’OS Servidores’y la ES. Debido a la velocidad de los procesos que ocurren en este entorno, es necesario unprotocolo de comunicacion practicamente en tiempo real, por lo que es el Profinet o IndustrialEthernet el mas empleado para este tipo de buses.

Bus de Planta La comunicacion entre la AS y el resto de elementos aguas arriba de esta, talescomo la OS y la ES se realiza a traves de este bus. Este bus de conexiones puede ser tanto enProfinet o Industrial Ethernet como en Profibus DP, debido a los bajos tiempos de respuestarequeridos a la hora de monitorizar y ejecutar el control integrado en el PLC.

Bus de Campo En este bus de comunicacion se establece la conexion entre los instrumentosde campo y la AS. Puede ser tanto en Profibus DP como en Profinet. Dentro de este tipo deredes, os dispositivos de campo pueden estar conectados directamente a la AS, sin embargo,lo mas comun es encontrar tarjetas de E/S que actuan como nodos, canalizando la informacionhacia la AS. En los casos en los que se emplee el Profibus PA, sera necesario un adaptador deProfibus DP a PA, transicion que sera sencilla como se ha explicado previamente.


5. Descripcion del Banco de Practicas

5.1. Modulos de la Maqueta

La maqueta presente en la UDMF se ha organizado en diferentes secciones y modulosen funcion de la finalidad de cada zona. Todos los apartados trabajaran en conjunto para que elbanco funcione correctamente, pero cada uno tendra una tarea bien diferenciada. Ası, el bancose puede separar en tres modulos y dos sistemas:

Modulos

Modulo de control

Modulo estructural

Modulo hidraulico

Sistemas

Sistema electrico

Sistema neumatico

En el modulo de control se encuentran los elementos necesarios para llevar a cabo laprogramacion logica. En esta seccion se encuentra el PLC junto con la periferia descentralizada,como puedan ser tarjetas de E/S, enlaces DP/PA, etc. Se puede diferenciar facilmente en lamaqueta, con la finalidad de que sea distinguible rapidamente por el alumno y se encuentreaislado del resto de la instalacion, por la que circulara el agua.

El modulo hidraulico se trata del grueso del banco. Se trata de una recreacion de loque podrıa ser una instalacion industrial, encontrandose en este modulo las tuberıas, depositos,conductos, etc. necesarios para la circulacion del fluido. Asimismo, este modulo puede separarseen tres secciones en funcion de su finalidad: seccion de impulsion, seccion de calibracion yseccion de comprobacion.

Estos dos modulos se encuentran soportados por el modulo estructural. Formado porperfiles de aluminio y planchas de conglomerado, dispone de ruedas para poder recolocar elbanco en la posicion mas adecuada para la ensenanza.

El sistema electrico permite el suministro de energıa electrica a todos los elementosdel sistema, tales como el modulo de control, la instrumentacion...; mientras que el sistemaneumatico consta de valvulas todo o nada y una valvula de mariposa.

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5.2. Descripcion del funcionamiento

Como se ha visto en el apartado anterior, el funcionamiento del banco viene marcadoen gran medida por el modulo hidraulico. Dividido en varias secciones, el flujo de agua comienzaen la seccion de impulsion, donde las bombas son las encargadas de proporcionar el caudalsuficiente a la siguiente seccion, la de calibracion o medida. Una vez el agua pase por estaseccion, continuara a la zona de comprobacion para ası retornar a la de impulsion, cerrando elciclo.

El encargado de dirigir el flujo por los diferentes conductos es el sistema neumatico atraves de las valvulas todo o nada, mientras que a valvula de mariposa es la encargada de regularel caudal. Todos estos elementos seran controlados a traves del programa cargado en el PLC.

A continuacion se describe cada una de las secciones que forman el modulo hidraulicoy el funcionamiento de cada una de ellas.

5.2.1. Seccion de impulsion

Esta seccion es la que propulsa el agua a traves de toda la instalacion. El recorridocomienza en el deposito principal de reposo. Este deposito se encuentra en el piso bajo de lamaqueta, y cuenta con una capacidad de 300l. En este deposito se encuentra el primer elementode instrumentacion, un medidor de nivel capacitivo que controla que haya suficiente agua comopara que la bomba no trabaje en vacıo y que el deposito no se desborde. A la salida de estedeposito se encuentra el caudalımetro masico, el cual permite conocer el caudal con el quetrabajan las bombas. A continuacion, un juego de valvulas neumaticas permite el paso del aguaa las bombas, pudiendo ajustar su configuracion entre serie, paralelo o solamente una bomba.El ultimo elemento es la valvula de mariposa neumatica que permite controlar el caudal en lainstalacion. Esta seccion de impulsion se puede apreciar en la Imagen 5.1

Imagen 5.1: Seccion de impulsion del banco


Descripcion del Banco de Practicas

5.2.2. Seccion de calibracion

Una vez el caudal de agua salga de la seccion de impulsion, este entra en un bulbo queiguala la presion para los diferentes ramales. Como se puede apreciar en la Imagen 5.2 existen5 ramales, cuyo caudal esta controlado por una valvula todo o nada en cada uno. Ademas, 4 deestos 5 conductos contienen los elementos de medida de caudal, mientras que el conducto sincaudalımetro presenta una valvula normalmente abierta, de manera que existe un ramal libre encaso de que simplemente se quiera hacer circular el caudal. Los caudalımetros presentes son,de izquierda a derecha: Vortezx, Venturi, Placa de Orificio, Ultrasonico y Electromagnetico.Todos estos ramales desembocan en un bulbo similar al inicial para igualar la presion antes dedescargar hacia la proxima seccion.

Imagen 5.2: Seccion de calibracion del banco

5.2.3. Seccion de comprobacion

Es el ultimo circuito del caudal de agua antes de retornar al deposito de reposo. Estemodulo se separa en dos conductos, los cuales pueden ser elegidos mediante valvulas. Uno deellos conduce directamente al deposito del sistema de impulsion, cerrando el ciclo y comenzandode nuevo. El otro conducto lleva el agua hasta otro deposito que cuenta con una celula de carga.De esta manera, se puede comprobar el caudal gracias al control del tiempo y del peso de aguaque se acumula en este deposito. Una vez se haya realizado la medicion, el agua vuelve alsistema de impulsion gracias a una valvula. Todo este circuito se puede apreciar en la Imagen5.3.



Imagen 5.3: Seccion de comprobacion del banco

5.3. Principales componentes

Una vez comprendidas cada una de las secciones y la funcion que realizan, el siguientenivel de detalle se corresponde con cada uno de los elementos individuales que constituyenel banco. Esto incluye, no solo los componentes fısicos del modulo hidraulico, sino tambienlos componentes de modulo de control, tales como PLC y demas elementos necesarios parael control, y los principales programas que se emplearan para la programacion de la maqueta ydesarrollar las imagenes para la operacion de esta. De tal manera, se separan los componentes endos: componentes hardware y componentes software, los cuales son explicados a continuacion.

5.3.1. Componentes Hardware

En esta seccion se muestran todos los elementos fısicos que han sido requeridos pararealizar el banco. En este proyecto, se partıa de una banco ya construido, por lo que no hubo querealizar ninguna seleccion de material. Sin embargo, si fue necesario entender como funcionabacada componente y saber como se comunicaba con el resto del banco para poder realizar laprogramacion adecuada.

Debido a que no es el objetivo de este proyecto y resultarıa demasiado extensivo unadescripcion de cada uno de los componente, se referencian a continuacion en la Tabla 5.1 losprincipales elementos. Sin embargo, no se mencionan los elementos auxiliares que se precisan,tales como fuentes de alimentacion, cableado, soportes, etc.



Componente ReferenciaControlCPU 410 - 5H 6ES7-410-5HX08-0AB0

Periferia descentralizadaSCALANCE X208 6GK5208-0BA00-2AA3Acoplador Profibus DP/PA 6ES7157-0AC83-0XA0AFD de 8 6ES7157-0AG82-0XA0ET200SP

IM 155-6 PN ST 6ES7155-GAU00-0BN0CM PtP 6ES7137-6AA00-0BA0DQ 16x24VDC/0,5A ST 6ES7132-6BH00-0BA0AI 4xI 2-wire 4...20mA HART 6ES7134-6TD00-0CA1WP 321 7MH4138-6AA00-0BA0

ActuadoresValvula neumatica ’todo o nada’ 2000Y-J614F-16P/RValvula neumatica de mariposa 6DR5510-0NG00-0BA1Variadores de frecuencia

CU230P-2 PN 6SL3243-0BB30-1FA0PM240-2 6SL3210-1PB17-4UL0Panel de mando IOP 6SL3255-0AA00-4JA1Kit de conexiones 6SL3255-0AA00-2CA0

Bombas centrıfugas CM10-2 A-R-A-E-AVBE

SensoresTransmisores de presion

250mbar 7MF4434-1HA22-1AB6-Z+A01+A40+B135bar 7MF4434-1GA22-1AB6-Z A01+A40+B1330bar 7MF4434-1DA22-1AB6-Z A01+A40+B13+U02

Celula de carga 7MH5103-3GD00Transmisor de nivel 7ML5670-0AA00-0AB0-Z Y01 Length 305mmCaudalımetro Coriolis 7ME4611-3NA01-1DA1-Z A02

+B11+E14+F00+L51Caudalımetro Electromagnetico 7ME6520-2RF13-2HF1Caudalımetro Vortex 7ME2600-2KD11-1AA1-Z Y40+Y41+Y42+Y45Caudalımetro Ultrasonico 7ME3570-1HB30-0CB0

Cuadro 5.1: Componentes Hardware

5.3.2. Componentes Software

En esta seccion se presentaran y desarrollaran los programas empleados para esta-blecer la conexion entre los elementos y entre estos y el PC, realizar la programacion logicadel sistema, crear las imagenes de control, etc. Todos estos programas estan desarrollados porSiemens, facilitando ası la compatibilidad y la comunicacion.

Todos estos programas se engloban en el entorno de programacion de SIMATICPCS7, un sistema optimizado para la automatizacion de las plantas industriales. Esto se debe a



la cantidad de herramientas de ingenierıa que presenta y la gran funcionalidad y escalabilidad,lo cual permite una gestion de alarmas, de archivos y una seguridad de proceso.

Se ha optado trabajar con SIMATIC PCS7 en vez de TIA Portal debido a la formade trabajar cada entorno y por las necesidades de la maqueta. Ambos sistemas presentan unproceso principal, el cual se representa mediante el bloque OB1. Sin embargo, mientras que enTIA Portal el programa que realizara el PLC se escribe practicamente entero en este bloque, enPCS7 el bloque OB1 se libera debido a su alto tiempo de ciclo (6 segundos), programando lasacciones a base de interrupciones, cıclicas o no.

En el proyecto que se esta llevando a cabo, y dado que se pretende recrear una plantade proceso, el funcionamiento debe ser continuo y solo producirse cambios en las interrupciones,motivadas por las entradas de los sensores. Es por esto que el entorno de SIMATIC PCS7 ha sidoelegido, cuyos principales componentes se describen a continuacion.

5.3.2.1. SIMATIC Manager

El SIMATIC Manager se compone tambien de una serie de programas que permitenrealizar la programacion para la AS. Esto incluye los programas necesarios para realizar laconfiguracion del hardware, crear las comunicaciones entre los elementos y desarrollar la logicanecesaria para el funcionamiento del sistema.

La primera de estas tareas se realiza mediante el paquete HW Config, creando unarepresentacion digital de los modulos hardware de la planta y asignar las direcciones de entradasy salidas que se emplearan posteriormente en la programacion para controlar los actuadores delsistema. Aquı sera tambien donde se asignen las direcciones necesarias a cada elemento paraque puedan comunicarse el PLC y la periferia descentralizada. Un conjunto de la visualizaciondel SIMATIC Manager y HW Config se puede apreciar en la Imagen 5.4.

Imagen 5.4: Interfaz de SIMATIC Manager y HW Config (Derecha)

La programacion logica se realizara mediante los paquetes CFC (Continuous FlowChart) y SFC (Sequential Flow Chart). La principal diferencia entre ambos es la finalidad de



cada uno: el primero se ejecuta continuamente, pudiendo ejecutar varias acciones simultanea-mente; y el segundo sigue un proceso secuencial, realizando solamente una accion en cadamomento, la cual ira cambiando segun se vayan cumpliendo ciertas condiciones previamentemarcadas. Ambos tipos de programacion se pueden observar en la Imagen 5.5.

(a) Programacion CFC (Continuous FlowChart)

(b) Programacion SFC (Sequential FlowChart)

Imagen 5.5: Programacion logica en CFC y SFC

5.3.2.2. PLCSim

Este programa, incluido en el conjunto de SIMATIC PCS7, permite la simulacion delas entradas y salidas del PLC con la logica que se desarrolla en los CFC y SFC. De esta manera,se consigue una programacion mas rapida y solida, puesto que se puede probar antes de cargarel programa final en la AS, detectando los fallos facilmente. La interfaz de esta herramienta sepuede apreciar en la Imagen 5.6.

Imagen 5.6: Interfaz de PLCSim

Una de las ventajas principales que presenta es la posibilidad de realizar ensayos de’prueba y error’, pudiendo ası determinar el comportamiento de ciertos elementos y poder actuar



acorde a ello. Sin embargo, esta aplicacion presenta ciertas limitaciones, pues no se obtienefeedback en tiempo real, lo que impide crear logicas basadas en las respuestas de los elementosfısicos.

5.3.2.3. WinCC

Mediante el ’Windows Control Center’ (WinCC) se crea el SCADA y HMI, permi-tiendo ası el control de la instalacion al usuario. Tambien permite la adquisicion de datos y sugestion, ası como de alarmas. Por lo tanto, mediante este programa se crean y configuran loselementos de la OS. La interfaz de este programa puede observarse en la Imagen 5.7.

Imagen 5.7: Interfaz del programa WinCC

Todos los programas de Siemens emplean de una forma u otra este sistema, el cual seencuentra optimizado para su uso junto con las pantallas HMI de la misma empresa. Dentro deWinCC podemos encontrar numerosas secciones que permitiran realizar todas las tareas.

Algunos de estos modulos son: mediante el WinCC Graphic Designer se podran crearlas imagenes de control, asignando botones a las funciones, anadiendo avisos para las alarmase interfaces para observar las variables medidas por los sensores. El Tag Logging permitira el



manejo de variables y guardar sus valores en el sistema para poder emplearlos posteriormenteen otras actividades.

En la Imagen 5.8 se puede observar un ejemplo de interfaz grafica SCADA que sepueden crear mediante WinCC.

Imagen 5.8: SCADA creado con WinCC

5.3.2.4. SIMATIC PDM

La correcta configuracion de los instrumentos de campo y una lectura precisa de lasvariables de proceso es crıtica para el funcionamiento optimo de la planta. Para realizar estaconfiguracion sin tener que acceder a los controles fısicos de cada sensor y obtener gran can-tidad de informacion acerca de estos, Siemens aporta el programa SIMATIC PDM como partedel entorno SIMATIC PCS7. Las siglas PDM se corresponden con ’Process Device Manager’,Administrador de Equipos de Proceso en ingles.

Mediante este programa se puede configurar todos los equipos que se conecten me-diante conexiones Profibus, Profinet o HART, por lo que se trata de una herramienta muy comodaa la hora de comprobar si la lectura en los programas creados para la maqueta se adecuan a lovalores reales. Las opciones que ofrece este software son muy amplias, pudiendo configurar ycalibrar todas las medidas de los sensores, y permite realizar diagnosticos extensos y observarlos valores medidos.

En la maqueta sera de gran aplicacion para comprobar el correcto funcionamiento dela gran mayorıa de los sensores y de la valvula mariposa y calibrarlos para que midan en losrangos en los que se van a emplear. Una imagen de la interfaz de este programa se muestra en laImagen 5.9.



Imagen 5.9: Interfaz de SIMATIC PDM

5.3.2.5. STARTER

Se trata de un programa de Siemens especializado en la configuracion de variadoresde frecuencia. Una de las ventajas principales de este software es la sencilla conexion entre elPC y el variador, la cual puede realizarse independientemente del PLC y mediante un cable USBsimplemente.

Este programa permite acceso a todos los parametros existentes, ası como la modifica-cion de los que lo permitan y ajustar los telegramas de comunicacion entre el PLC y el variador.Ademas, permite el ajuste del PID que controla la velocidad en caso de que sea necesario alteraresta configuracion. Por ultimo, cuenta con un pequeno apartado para asumir el control remotodel variador, pudiendo ası ensayar la comunicacion entre el PC y el variador. Un ejemplo de lainterfaz de este programa se puede observar en la Imagen 5.10.



Imagen 5.10: Interfaz del STARTER


6. Configuracion y programacion

Como se ha comentado previamente, en este proyecto se parte del banco ya construido practica-mente en su totalidad. Los tres modulos como los dos sistemas a los que se ha hecho referenciaen el apartado anterior se encuentran terminados y el modulo hidraulico fue sellado y probado,comprobando ası que no existıan fugas.

Sin embargo, todavıa restaban algunos elementos por ser configurados y algunos pro-blemas por ser resueltos. Una vez comprobado que todos los elementos respondan, se pasara ala programacion logica del sistema.

6.1. Configuracion

El primer paso para conseguir el funcionamiento de la maqueta consiste en una con-figuracion de todos los elementos involucrados, tanto fısicos como digitales. En el primero delos casos, habra que asegurar que todos los componentes funcionan adecuadamente y respondenante los cambios que el usuario produzca. Para el segundo, sera necesario realizar la configura-cion de todos los elementos en el PC, para poder establecer las comunicaciones necesarias y lasdirecciones para interactuar desde la OS con la AS.

6.1.1. Configuracion fısica

Debido a problemas en el laboratorio de la UDMF, este estuvo cerrado al acceso du-rante los primeros meses del curso academico, impidiendo el uso del banco, el cual se resguardomientras se llevaban a cabo obras en el departamento. Una vez estas terminaron, se comenzo atrabajar en el banco.

A pesar de que se habıa realizado previamente pruebas de estanqueidad en la ma-queta, empleando las bombas para propulsar el fluido, estas bombas habıan sido accionadasconectandolas directamente al cuadro electrico. Faltaba por lo tanto controlar estas bombas me-diante los variadores de frecuencia de la instalacion. Al intentar arrancar las bombas, los varia-dores avisaban de un fallo de sobrecorriente en la alimentacion del motor. Este fue el primerproblema que se abordo.

Se comenzo revisando la configuracion en los variadores, en los cuales es necesariointroducir los datos caracterısticos de los motores electricos de las bombas. Evaluando el tipo de

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conexion de los motores, conectados en estrella, se establecieron los parametros de intensidadnominal, tension nominal, etc. A pesar de esto, el problema de sobrecorriente seguıa aparecien-do. Tras probar distintas configuraciones e incluso probar con distintos motores electricos queestaban disponibles en el laboratorio de la UDMF, se concluyo que el error se encontraba en elvariador. Por esto se contacto con Siemens y sus expertos acerca de estos dispositivos. Gracias ala ayuda de estos ultimos, se detecto que el problema estaba en el conexionado de los variadoresa la alimentacion y a los motores. Por lo tanto, fue necesario cambiar las conexiones y alimentarel variador con corriente monofasica simplemente. De esta manera, se pudo arrancar las bombascon los variadores.

Otro de los elementos que era necesario colocar eran los transmisores del sensor ul-trasonico. Para esto se siguieron las indicaciones aportadas en el manual de dicho sensor [5]. Lacolocacion de los sensores depende de la reflectividad del material de la tuberıa, del diametrode esta y de la velocidad del sonido en el fluido. Estos datos se introducen en el transmisor delcaudalımetro, el cual aporta la distancia a la que hay que colocar los sensores en funcion de susposiciones relativas, cuyas opciones se muestran en la Imagen 6.1. En primera instancia se haprobado con la colocacion mostrada en la Imagen 6.1a. Sin embargo, esta colocacion todavıaesta sujeta a una comprobacion, para la cual es necesario hacer circular agua a traves de lossensores y comprobar las medidas que proporciona el caudalımetro tanto de caudal como de lavelocidad del sonido en el agua, la cual deberıa ser cercana a 1450 m/s.

(a) Montaje Directo de los sensores ultrasoni-cos

(b) Montaje con Reflexion de los sensoresultrasonicos

Imagen 6.1: Montaje de sensores ultrasonicos

6.1.2. Configuracion digital

Como se vio en el apartado 4.2.3, es necesario contar con una AS y una OS para poderponer a funcionar el proyecto. La AS viene aportada por la maqueta, sin embargo, esta AS seencuentra ’en blanco’, no contiene ningun programa. La OS sera una ’OS Single Station’, creadaen el mismo ordenador que actuara tambien como ES y donde se desarrollara el proyecto.

El programa que se cargue en el PLC tendra que contener informacion sobre los ele-mentos que componen el sistema, ası como su jerarquıa y la comunicacion entre ellos. Esto serealizara en la fase de configuracion, en la cual se sientan las bases para realizar posteriormentela programacion de la maqueta. La descripcion que se ofrece a continuacion de la configuracioninicial no muestra una guıa paso a paso para realizarla, tan solo los pasos mas importantes ydeterminantes para llevarla a cabo.

Primeramente, hay que mencionar que la comunicacion de la AS con el PC que actuaracomo ES y AS se realiza mediante el protocolo de Ethernet. Este PC cuenta con Windows 7


Configuracion y programacion

como sistema operativo y SIMATIC PCS7 8.1 como entorno de desarrollo para las actividadesdeseadas.

6.1.2.1. Configuracion del PC

El primer paso en la configuracion sera establecer la comunicacion entre el PC y elPLC. Esta comunicacion, basandose en el protocolo de Ethernet, se realizara por medio de unadireccion IP, por lo que sera necesario asignar una direccion IP tanto al PLC como al PC. Para elPC habra que editar las propiedades del apartado ’Protocolo de Internet version 4 (TCP/IPv4)’.Una vez en estas propiedades, tal y como se muestran en la Imagen 6.2, se le aplicara unadireccion IP y una mascara de subred. En el caso de la maqueta se le asigna la red con direccion192.168.1.x, donde ’x’ designa el elemento particular que se conecta a esa red. En el caso delPC se trata del elemento ’100’, por lo que la direccion IP de este sera 192.168.1.100.

Imagen 6.2: Configuracion de la tarjeta de red del PC

Una vez establecida esta direccion, sera el PLC el que tendra que ser asignada unadireccion IP. Para ello hara falta crear el proyecto en SIMATIC Manager. A la hora de crearlo esimportante recordar que en este proyecto se empleara el mismo terminal como ES y como OS,por lo que. Aunque se trate de un unico proyecto, este precisara una configuracion para cada unade las partes.

6.1.2.2. Configuracion del PLC y la periferia descentralizada

La creacion del proyecto resulta sencilla al seguir las indicaciones del Asistente deCreacion de Proyectos que presenta SIMATIC Manager. Este asistente, mostrado en la Imagen6.3, permite no solo la creacion del proyecto, sino permite una seleccion rapida de la CPU que



se emplea, la CPU 410-5H en este caso, y la seleccion de los niveles de jerarquıa con los que sequiere trabajar, 2 para este proyecto. Estos niveles se pueden ver a continuacion:

Maqueta UDMF↪→ Secciones

Una vez creado el proyecto se accede al modulo HW Config, descrito en el apartado5.4, en el cual sera necesario anadir en el rack y slot adecuado (Rack: 0 y Slot: 2 en este caso) laCPU. Esta CPU cuenta con dos puertos Ethernet y un puerto Profibus DP. Todos estos puertostendran que ser configurados, asignandoles las direcciones necesarias, para poder configurar elresto de elementos que se conectaran al PLC. De esta manera, la IP a designar a la red queconectara con el PC tendra que ser 192.168.1.x, siendo x un numero distinto de 100. En el casodel proyecto sera 192.168.1.10.

Imagen 6.3: Asistente de creacion de proyectos PCS7

El resto de elementos se configuran en funcion de la red a la que se conecten. En elcaso de los dispositivos conectados a la red Profinet, sera necesario anadirlos al esquema en elHW Config primeramente y despues identificar estos componentes mediante su direccion MAC.Sin embargo, la comunicacion posterior con ellos se realizara mediante una direccion IP, por loque esta tendra que ser asignada a cada elemento. Esta direccion IP sera de la forma 192.168.1.x,puesto que se conectan a la misma red.

Para lo elementos que se conectan a traves de Profibus, estos lo haran a la red PA,mientras que el PLC solo presenta conexion con DP, lo que implicara un adaptador DP/PA. Unavez anadido este elemento al HW Config, se le asigna a cada elemento una direccion Profibusmediante los controles de mando del propio dispositivo. Esta direccion debera coincidir con ladireccion que se le asigne en su instancia en el HW Config. Estas direcciones de Profibus irandesde 0 hasta 128.

Cabe destacar la accion del elemento CiR que se anade adicionalmente. Permite laadicion de nuevos dispositivos a la configuracion sin que tenga que volverse a cargar la configu-racion en el PLC, lo que implicarıa una parada de la instalacion, muy perjudicial en el mundo



industrial.

El resto de elementos que no se comunican ni mediante Profibus ni mediante Profinetse conectan a tarjetas auxiliares de E/S. En el caso de este proyecto, las tarjetas empleadas sonde Entradas Analogicas (AI), Salidas Digitales (DQ) y de conexion Punto a Punto (CM PtP).Estas tarjetas se conectaran fısicamente a una ET200M, la cual se conectara por Profinet a laCPU. Este modulo se anadira al HW Config, y dentro de esta se anadiran las tarjetas que seempleen.

Cada uno de los elementos creados en el HW Config, independientemente del modode comunicacion, tendra unas entradas y salidas que sera necesario anadir a los sımbolos delsistema para poder actuar sobre ellas en la programacion logica y leer lor valores de los sensores.

La configuracion en el HW Config de la ES se puede apreciar en la Imagen 6.4.

Imagen 6.4: Configuracion de la ES en el HW Config

6.1.2.3. Configuracion de los Variadores de Frecuencia

Los variadores componen uno de los elementos, si no el elemento mas importante delbanco, puesto que sin su funcionamiento no se pueden utilizar el resto de dispositivos. Por lotanto, es primordial establecer la comunicacion entre estos, el PLC y el PC.

Esta conexion se realiza mediante Profinet, por lo que el proceso para asignar unadireccion IP a cada uno de los variadores es igual al descrito en el apartado anterior. Debido quese conectan a la misma red, las direcciones IP tendran que pertenecer a la misma red, por lo queen este proyecto estas seran 192.168.1.14 y 192.168.1.15.

Sin embargo, esta comunicacion no es suficiente para poder editar en tiempo real losparametros de funcionamiento, tales como el regimen de giro, y poder recibir feedback desdeel variador. Para estas tareas es necesario establecer una comunicacion mediante telegramas.Estos telegramas pueden ser comunes para cualquier variador (Telegrama 1 y 20) o puedenestar dedicados especialmente para los productos de Siemens (Telegrama 350, 351, 352, 353



y 354). Debido a que en este proyecto se cuenta con la librerıa de PCS7 Drive ES PCS7 v8.1,la cual incluye elementos que se emplearan en la programacion posterior de los variadores, sehace imperativo usar telegramas especializados para Siemens. De esta manera, se elige trabajarcon el Telegrama 352, el cual posee 6 palabras (16 bits) de entrada y 6 palabras de salida. Elcontenido de cada uno de estos bytes de muestra en la Tabla 6.1. Toda la informacion acercade este telegrama puede encontrarse en [4], donde se expone tambien el proceso de conexionseguido en este proyecto.

Palabra 1 Palabra 2 Palabra 3 Palabra 4 Palabra 5 Palabra 6

Entrada Mensajede Control

Setpoint deVelocidad

Datos de Proceso para PCS7

Salida Mensajede Estado

Feedback deVelocidad

Intensidadconsumida

Parejercido

Codigode alarma

Codigode fallo

Cuadro 6.1: Estructura del telegrama 352

Este telegrama ha de seleccionarse tanto en el propio variador fısico, lo cual se puedehacer mediante el Panel de Control Inteligente (IOP) o mediante el programa STARTER unavez que se haya establecido la conexion por Profinet; como en el propio proyecto. Para quefuncione la comunicacion, es imprescindible que los telegramas en ambos sitios sean iguales.Ambas configuraciones se muestran en la Imagen 6.5.

(a) Seleccion del telegrama en el programaSTARTER

(b) Seleccion del telegrama en los parametrosde la bomba

Imagen 6.5: Configuracion del telegrama de comunicacion

6.1.2.4. Configuracion de la OS

Por otro lado, es necesario configurar la OS, puesto que, aunque esta se halle en el mis-mo terminal que la ES, se tratara como un elemento independiente. Esta configuracion resultamas simple, puesto que no requiere anadir todos los elementos de la maqueta.

En primer lugar sera necesario anadir una tarjeta de red en funcion del modelo deCPU. En el caso de la maqueta, puesto que la CPU no contiene ninguna tarjeta de red especıfica,la que se anada en el proyecto sera de uso general. Para finalizar, habra que agregar un Servidorde WinCC Application, lo cual permitira al PC trabajar como OS Servidor y crear las imagenesnecesarias para actuar sobre la maqueta. Esta configuracion en el HW Config de la OS se puedeapreciar en la Imagen 6.6.



Imagen 6.6: Configuracion de la OS en el HW Config

6.2. Programacion

Cualquier ser vivo precisa de tres ingredientes para lograr un funcionamiento correctoy conseguir la supervivencia, fin ultimo en la vida. El primero de ellos serıa poseer un cuerpofısico, algo que le permita interactuar con su ambiente exterior y obtener datos de el. El segundose corresponderıa con el conocimiento de este cuerpo fısico y la consciencia de su control.Y por ultimo, el tercer componente serıa el saber necesario para controlar el sistema fısico.Una maquina, o en este caso, la maqueta, no es diferente. El primer y segundo elemento secorresponderıa con la maqueta fısica y con la configuracion realizada y descrita previamenterespectivamente. El tercer paso equivaldrıa a la programacion logica que procesara el cerebrode la maqueta, el PLC.

Esta programacion es lo que marcara el funcionamiento optimo de la maqueta y loque permitira que todos los elementos, que hasta ahora se habıan tratado como componentesindividuales, se comporten como un conjunto y operen conectados entre sı.

6.2.1. Consideraciones previas a la programacion

A la hora de realizar la programacion se ha velado siempre por la seguridad tanto dela maqueta como del usuario. Debido a la propia finalidad de la maqueta, el riesgo humano dela instalacion es mınima puesto que no contiene elementos de gran pesaje, materiales peligrososo componentes explosivos o quımicamente activos. Es por esto que se ha buscado optimizarla seguridad de la propia instalacion, asegurando que en ningun momento se supere la presionmaxima a la que se han certificado los conductos, no se produzca el desbordamiento de losdepositos, las bombas no trabajen en vacıo, etc.

Otro de los pilares en los que se ha basado la programacion ha sido la multifunciona-lidad. Atendiendo al fin academico de la maqueta, se ha optado por realizar una programacionque permita utilizar la maqueta en distintas modalidades. De esta manera se permite tambien



un uso mas experimental en el caso de usuarios mas formados y otra posibilidad que asegurala seguridad de la maqueta en el caso de los mas inexpertos. Para esto se ha decidido que lamaqueta pueda operar tanto en un modo manual como en un modo automatico.

6.2.2. Estructura del programa

De acuerdo a las intenciones expuestas en el apartado anterior, se ha decidido estruc-turar la programacion de manera que copie la estructura fısica de la maqueta mostrada en elapartado 5.2. De esta manera se consigue un doble objetivo: se permite la escalabilidad de laprogramacion, pudiendo anadir facilmente mas modulos a la maqueta en caso de que fuese ne-cesario; y se crea una organizacion jerarquica que facilita la busqueda de senales, conexiones,etc., tratandose los niveles mas bajos de la programacion con un mayor nivel de detalle mien-tras que los niveles mas altos afrontan procesos que afectan a secciones enteras e incluso a lamaqueta.

La jerarquıa de la programacion es la que se asigno durante la creacion del proyecto,la cual se recuerda a continuacion. En los niveles mas bajos, el control de los elementos indivi-duales, tales como las valvulas o los sensores, se hallaran en la seccion creada para cada modulo,mientras que en el primer nivel se encuentra la programacion acerca del modo de funcionamien-to global de la maqueta o los programas que controlan la seguridad, recibiendo datos de todoslos elementos de campo.

Maqueta UDMF↪→ Bombeo↪→Medida↪→ Comprobacion

Dentro de SIMATIC Manager se ofrecen diferentes vistas (Planta, Componentes yObjetos de Proceso) para acceder a la programacion, estando cada una pensada para diferentesusos. Para crear esta estructura es necesario acceder a la vista de Planta, que permite crear lascarpetas que contendran los elementos CFC y SFC necesarios. Las vistas principales empleadasen el proyecto (Componentes y Planta) se muestran en la Imagen 6.7. La vista componentespermite visualizar el hardware que se emplea en el proyecto y la configuracion del mismo.

6.2.3. Control y Medida

Cada una de las secciones de la maqueta contiene una serie de elementos que necesitanser monitorizados y manejados desde la OS. Bien sean las valvulas simples conectadas a lastarjetas de Salidas Digitales que tan solo precisan un bit de informacion; o los sensores demedida, como los caudalımetros, que presentan datos de mas de una decena de bits, se tieneque crear un esquema CFC para cada uno de los elementos. Para simplificar la creacion deestos esquemas CFC, se dispone de la librerıa PCS7 Advanced Process Library (APL) v8.1. Enesta librerıa se incluyen esquemas predeterminados para el control y medida de componentesgenerales. En este caso se ha empleando los esquemas ’ValveLean’ para las valvulas todo onada, ’ControlValve’ para la valvula de mariposa y ’AnalogMonitoring’ para la lectura de losdatos de los sensores.

Esta programacion CFC se realiza mediante la interconexion de diferentes bloquesque realizan funciones diversas, desde realizar un control PID hasta actuar simplemente como



Imagen 6.7: Vistas de Planta (derecha) y Componente (izquierda)

puerta logica o como detector de flancos. Por lo tanto, aunque se aporten plantillas ya totalmen-te funcionales, es necesario conectar cada esquema con las salidas o entradas necesarias paraque se comunique con los elementos fısicos del sistema. Estas entradas y salidas han sido yaconfiguradas en el HW Config, por lo que resulta sencilla y directa esta conexion.

Sin embargo, para conseguir los objetivos de seguridad y que las valvulas operen en elmodo (manual o automatico) seleccionado por el operador, estos esquemas CFC han tenido queser modificados y se han anadido funcionalidades nuevas. Todas estas acciones se han llevado acabo mediante puertas logicas anadiendo los bloques necesarios incluidos en la librerıa e inclusocreando bloques propios. El esquema para el control de una valvula todo o nada se muestra en laImagen 6.8, mientras que el esquema para la monitorizacion de los sensores se puede observaren la Imagen 6.9.

Imagen 6.8: Esquema CFC para el control de las valvulas



Imagen 6.9: Esquema CFC para la monitorizacion de los sensores

Imagen 6.10: Esquema CFC para el control de las bombas

Para el control de las bombas se emplean de nuevo esquemas CFC que se encuentranen la librerıa ’Drive ES PCS7 v8.1’, los cuales estan especialmente disenados para los variadoresque se estan empleando en el proyecto. Una vez se han anadido estas plantillas, es necesarioconectarlos con las direcciones de los telegramas que se les asigno a cada variador para poderintercambiar informacion. De la misma forma que en el caso de las valvulas, ha sido necesariomodificar estos CFC para poder llevar a cabo la funcion de seguridad que se ha impuesto. Estosesquemas de programacion se muestran en la Imagen 6.10.



6.2.4. Elementos adicionales

Para implementar todas las funcionalidades que se han pretendido en el proyecto hasido necesaria la creacion de nuevos esquemas CFC desde cero. Estos esquemas se localizaranprincipalmente en el nivel mas alto de la jerarquıa de programacion antes expuesta, si bienalgunos elementos que solo afecten a una seccion se hallaran en sus respectivas carpetas. LosCFC en los niveles mas altos obtendran datos de todos los elementos, tanto sensores comoel feedback de la posicion de las valvulas. Los esquemas se pueden dividir en funcion de lafinalidad que persigan.

6.2.4.1. Elementos de seguridad

La respuesta del sistema frente a las irregularidades detectadas podra ser de dos tipos:parada de seguridad o parada de emergencia. La diferencia entre estos dos casos es simplementela gravedad de la causa que haya creado la alarma. En el primero, simplemente se detiene elfuncionamiento de la maqueta, quedando el agua retenida en los conductos; en el segundo esce-nario, toda la maqueta se vacıa de agua, volviendo esta al deposito de reposo. En la Tabla 6.2 semuestra el comportamiento de los elementos en cada caso.

Vlv

.0

Vlv

.1

Vlv

.2

Vlv

.3

Vlv

.4

Vlv

.5

Vlv

.6

Vlv

.7

Vlv

.8

Vlv

.9

Vlv

.10

Vlv

.11

Vlv

.Mar

.

Bom

ba1

Bom

ba2

Parada deseguridad

0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 % 0 % 0 %

Parada deemergencia

1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 % 0 % 0 %

Cuadro 6.2: Operativa de valvulas y bombas en modo de emergencia y seguridad

La identificacion del problema por parte del sistema se ve facilitada por los esquemasde monitorizacion de los sensores, en los cuales se pueden determinar los valores a partir de loscuales se considera que hay un error en el sistema. Si se llegase a este valor, se activarıa unasenal la cual es conectada a un esquema CFC denominado Emer Medidas, creado especıfica-mente para la respuesta de la maqueta antes situaciones de emergencia. Una vez se detecte unaemergencia, el sistema entrara de manera independiente en modo automatico, bloqueando cual-quier accion del operario y estableciendo los valores correspondientes a la parada de emergenciaque se han mostrado en la Tabla 6.2. La unica manera de salir de este modo de emergencia ydevolver el control al operario es eliminando el fallo que este detectando el sensor y pulsar elpulsador de rearme que se encontrara en las imagenes de control, las cuales se veran mas adelan-te. Esta accion devolvera el control al usuario, activandose el modo manual y permaneciendo lasvalvulas en la posicion de emergencia, las cuales pueden ser reseteadas manualmente o activarel modo automatico y establecer la configuracion deseada.

Tal y como se puede apreciar en la Imagen 6.11, donde se muestra el esquema Emer Medidas,se tienen multiples salidas, pues cada una de ellas se conecta con cada esquema de control delas valvulas, tanto todo o nada como de mariposa, y con las bombas. Ademas, estas salidas irantambien conectadas a los esquemas que seleccionan el tipo de modo de funcionamiento que



desee el operador. La descripcion de estos elementos de programacion se pueden observar en elsiguiente apartado.

Imagen 6.11: Esquema CFC para el control de emergencias

6.2.4.2. Elementos de funcionalidad

Una de las caracterısticas intrınsecas de la Industria 4.0 es la versatilidad de los siste-mas y poder conseguir diferentes fines mediante una unica instalacion. Esta capacidad de adap-tacion se basa en una multifuncionalidad del sistema, pudiendo cambiar la manera de trabajar enfuncion de los requisitos necesarios. Esta cualidad de la Industria 4.0 junto con el fin academicoque se persigue con este proyecto, hace que se haya intentado crear un entorno de trabajo conel mayor numero de opciones posibles a la hora de interactuar con el y, por lo tanto, que losalumnos obtengan la mejor formacion posible.

Tal y como se ha comentado, el banco se puede operar de manera manual o de formaautomatica. En el modo manual, cada uno de los elementos puede ser operado individualmen-te, por lo que resulta necesario tener un mayor conocimiento acerca del funcionamiento de lamaqueta y de los principios fısicos de fluidos. Aun ası, se han tenido en cuenta las principalesrestricciones en este modo, impidiendo que las bombas no puedan arrancar a no ser que hayaun circuito totalmente abierto y no haya ninguna valvula crıtica cerrada. Por contraposicion, enel modo automatico no se permite la actuacion manual sobre cada elemento. El control de loselementos se realiza mediante unos menus que se muestran una vez se selecciona este modo,marcando que valvulas se desean abrir en el caso de los ramales o la disposicion en la que sequieren colocar las bombas para la seccion de impulsion.

De esta manera se consigue satisfacer tanto a los mas curiosos que pretendan expe-rimentar, siempre dentro de los margenes de seguridad, y a aquellos que simplemente quieranobservar la maqueta en funcionamiento sin correr excesivos riesgos y con una mayor comodi-dad.



Imagen 6.12: Esquema CFC para el control del modo operativo de la maqueta

Para realizar esta doble funcionalidad, ha sido necesaria la creacion de nuevos esque-mas CFC que permitan el cambio de un modo a otro. Uno de estos esquemas, el cual rige elcomportamiento de la maqueta en su totalidad se puede observar en la Imagen 6.12. Este esque-ma, denominado Modo Func, permite el cambio entre el modo manual y el modo automatico.El modo automatico se activara cuando se pulse el boton que se creara en las pantallas de ope-racion, o bien cuando el sistema detecte una situacion de emergencia. Por lo tanto, los bloquespresentes en este CFC se encuentran interconectados con los bloques del CFC Emer Medidas.El modo manual estara activo mientras no lo este el modo automatico, es decir, mientras no sesolicite este modo ni exista una emergencia. Aun ası, existira un boton en la interfaz graficaque permita cambiar a este modo. Las salidas de este esquema estaran conectadas con todos losactuadores de la maqueta, pues todos ellos se veran afectados, de una u otra manera.

Cabe destacar que las bombas solo entraran en modo automatico si ocurre una paradade emergencia. En el caso de que solamente se quiera iniciar el modo automatico, las bombaspermaneceran en modo manual, puesto que la automatizacion de las bombas serıa innecesarioe incluso perjudicial en alguna situaciones, donde el espacio disponible en la interfaz grafica sededica a otros elementos de mayor importancia.

Para la actuacion de las valvulas en modo automatico, se creara un CFC por cada sec-cion para determinar que valvulas se han decidido abrir. El funcionamiento de estos esquemasvendra condicionado por el comportamiento de las casillas de seleccion que se situaran en lainterfaz grafica, elemento que se explicara mas adelante. Sin embargo, se trata simplemente deuna comparacion de valores que permite distinguir el caso en el que se encuentre el sistema.Estos esquemas se pueden ver en las Imagenes 6.13, 6.14, 6.15, correspondientes a cada una delas secciones de banco, seccion de impulsion, medida o calibracion y comprobacion, respecti-vamente.



Imagen 6.13: Esquema CFC para la seleccion de la posicion de las valvulas de la seccion deImpulsion

Imagen 6.14: Esquema CFC para la seleccion de la posicion de las valvulas de la seccion deMedida

Imagen 6.15: Esquema CFC para la seleccion de la posicion de las valvulas de la seccion deComprobacion


7. Interfaz grafica y SCADA

Una planta industrial no es sino una extension del ser humano, una herramienta para realizaractividades que serıan muy laboriosas, peligrosas e incluso imposibles de realizar. Se trata de unaextremidad mas, sobre la cual el usuario ha de tener control y recibir la informacion detectadapor cada sensor y elemento que se encuentre en la instalacion. Por lo tanto, es necesario crearuna interfaz que permita esta comunicacion, resultando esta lo mas simple e intuitiva posiblecon el fin de que la transmision de informacion sea directa y el manejo de la planta efectivo yrapido. Esta funcion la lleva a cabo el SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), lacual estara cargada en el HMI (Human-Machine Interface).

En este proyecto el HMI sera la pantalla del PC que actua tanto de ES como OS. Seraaquı donde se desarrollen las imagenes para interactuar con el sistema y obtener la informacionde los transmisores. La configuracion de la OS se muestra en el apartado 6.1.2.4, en la cual seranecesario crear a continuacion la carpeta que contendra las imagenes de control.

7.1. Consideraciones previas

La simplicidad es muchas veces la mayor virtud. Ası lo afirmaba el filosofo Guillermode Ockham en su ’Principio de la Navaja’, en el cual se expone que la solucion mas simple sueleser la mas acertada. En este caso, este principio tiene una gran repercusion, pues debido a laintencion academica de la maqueta, la simplicidad a la hora de crear las imagenes facilitara engran medida el aprendizaje y el manejo de esta.

Una representacion lo mas fielmente posible de la estructura del banco y de su distri-bucion supondra una mayor facilidad para identificar los elementos. Para esta representacion seobtendra el diseno 3D realizado por el anterior alumno responsable de la maqueta [8]. Al mismotiempo, los botones para la interaccion del usuario con la maqueta se realizaran de manera quesu funcion sea facilmente reconocible y cada elemento que compone la imagen presente unaetiqueta para entender su aplicacion. De esta manera el proceso de aprendizaje para el manejode la maqueta se reduce y se permite que en el poco tiempo disponible para unas practicas elalumno se familiarice con el sistema.

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7.2. Estructura del SCADA

Al crear el proyecto y la programacion se realizo una estructura basada en las seccio-nes o modulos en los que se dividıa fısicamente la maqueta. Sin embargo, a la hora de realizarlas imagenes, estas se haran atendiendo a las practicas a las que intentara dar respuesta el ban-co. De esta manera, se creara una imagen para cada practica: una para la practica de MaquinasHidraulicas y otra para las practicas de Mecanica de Fluidos II, las cuales se unifican en una solaimagen pues todas estas practicas se realizaran con los mismo elementos.

Ademas, se incluira una imagen global del banco sin estar dedicada a ninguna practicapara poder manejar el banco sin ninguna opcion adicional. Esta imagen podra desdoblarse enimagenes particulares para cada seccion, siguiendo la organizacion del proyecto, de tal maneraque se pueda ofrecer una breve explicacion de cada uno de los elementos que intervienen encada modulo, poniendo ası al alcance del alumno las tecnologıas actuales del mundo industrial.Esta fase ultima fase se encuentra todavıa en desarrollo en el momento de la redaccion de esteproyecto.

Definidas las imagenes necesarias, se crean las carpetas necesarias para alojarlas me-diante la vista de Planta de SIMATIC Manager. Una vez creadas, el proceso completo de crea-cion de imagenes y el manejo de datos se realizara mayoritariamente con el software WinCC ylos multiples paquetes que incluye. Sin embargo, sı que sera necesario establecer una conexionentre WinCC y SIMATIC Manager, pues numerosas funcionalidades creadas en los esquemasCFC se ven condicionadas por la interaccion del usuario con la interfaz.

Por ultimo, habra que crear un sistema de almacenamiento de variables y controlarsu adquisicion para poder obtener los datos que luego se requeriran en la realizacion de laspracticas. Esta toma de datos tendra que ser acıclica, de tal manera que los datos se almacenencuando el usuario lo solicite mediante alguna accion sobre la interfaz.

7.3. Desarrollo del SCADA

Todas las imagenes presentaran elementos en comun entre ellas, como pueda ser larepresentacion de la maqueta, los actuadores y sensores mostrados, el sistema de control deestos, etc. Sin embargo, en todas existiran componentes diferenciales en funcion de la finalidadde cada una.

Estas imagenes se compondran empleando el apartado WinCC Graphics Designer,perteneciente a WinCC, el cual aporta las herramientas necesarias para anadir todos los elemen-tos necesarios. Este programa se muestra en la Imagen 7.1.


Interfaz grafica y SCADA

Imagen 7.1: Interfaz del paqueta WinCC Graphics Designer

7.3.1. Imagen del Banco de Practicas

La primera imagen que se creara y que servira de base para el resto se trata de unimagen en la que simplemente se muestran los elementos principales del banco. Se colocarantambien los botones necesarios y que se repetiran en las demas imagenes para alternar entre losdiferentes modos, salir del modo de emergencia una vez se hayan solucionado los errores y parainiciar el funcionamiento de la maqueta.

Para colocar los diferentes elementos de la maqueta que se han obtenido del diseno3D se crean objetos graficos, en los cuales se cargaran las imagenes obtenidas. Estos objetos seredimensionaran y se dispondran de manera que reflejen de la mejor manera la configuracionde las tuberıas de la maqueta. La tuberıas sin embargo se crearan mediante elementos que seofrecen en el propio WinCC Graphics Designer, que podran adaptarse en longitud, anchura ycolor.

Otro de los componentes principales que seran de vital importancia en el control dela maqueta seran las faceplates asociadas a cada valvula o sensor, las cuales se muestran en laImagen 5.5b. Gracias a la utilizacion de esquemas CFC de las librerıas incluidas en PCS7, cadaesquema esta asociado a una serie de imagenes que permiten el control en el caso de las valvulaso las bombas, o la lectura de los valores en el caso de los medidores. Ademas, estas faceplatesindicaran tambien los fallos y alarmas que ocurran en cada componente. Estas imagenes secolocaran encima de los elementos fısicos de la maqueta, de tal manera que se identifiquen demanera intuitiva. La edicion que requieren las faceplates es mınima, pues representan aspectosgenerales que cumplen en cualquier situacion. Sin embargo, y debido a como se ha queridocolocar la representacion grafica del banco, algunas valvulas han tenido que ser giradas 90ºpara conservar el convenio a la hora de mostrar valvulas cerradas perpendiculares a la tuberıa yparalelas cuando esten abiertas.



(a) Faceplate de control de lasbombas

(b) Faceplate de monitoriza-cion de los sensores

(c) Faceplate de control de lasvalvulas

Imagen 7.2: Faceplates empleados en la programacion de la maqueta

Para finalizar la representacion de la maqueta, se anaden tıtulos y etiquetas que identi-fiquen cada elemento. El siguiente paso en la creacion de la imagen sera anadir los botones quese han descrito anteriormente. El propio programa da la posibilidad de crear botones del tamanodeseado y una etiqueta que lo distinga del resto. Los botones de modo manual y automaticoademas se iluminaran en verde para mostrar cual es el modo que se encuentra activado. Losotros dos botones permiten el arranque de la maqueta (boton Start, y el rearme despues de unaparada de emergencia (boton Rearme). Sin embargo, para poder actuar sobre el programa dePCS7 al pulsar en los botones es necesario conectar una marca de sistema perteneciente al pro-grama a la accion del boton izquierdo del raton, en este caso.

Los ultimos integrantes a anadir en esta imagen del SCADA seran los controles pro-pios del modo automatico. Para la seccion de impulsion, las opciones a elegir seran las diferentesconfiguraciones de las bombas: en serio, en paralelo y cada bomba individualmente. Para esto secolocara un menu de seleccion en la que solo una opcion pueda ser marcada. Este modulo se ha-llara tambien conectado al esquema CFC de seleccion de modo de esta seccion del banco. Para laseccion de medida se habilitaran dos menus distintos. Uno de ellos sera similar al descrito parala seccion de impulsion. Las opciones en este menu seran para cerrar o abrir todas las valvulasde todos los ramales. En el segundo menu que se creara se podran seleccionar individualmentecada una de las valvulas. Al marcarlas las valvulas se abriran, excepto la valvula 4, la cual al sernormalmente abierta se cerrara al ser marcada. Como medida de seguridad, no se podra cerrarla valvula 4 a no ser que haya otra valvula abierta, de tal manera que nunca se encuentre cerradoel circuito del banco. La ultima seccion sera controlada por un menu similar al de la seccion deimpulsion. Este menu contendra las diferentes configuraciones de las valvulas, las cuales seran:descarga al deposito de reposo directa (valvula 10), descarga al deposito de pesaje (valvula 09),vaciar el deposito de pesaje al deposito de reposos (valvula 11) o descargar al deposito de reposoa traves del de pesaje (valvula 09 y valvula 11).

Con estas ultimas adiciones se termina de crear la interfaz mas basica y mas generalpara el control de la maqueta. En las Imagenes 7.3 y 7.4 se puede apreciar la imagen en modomanual y en modo automatico respectivamente. El sistema en la posicion de emergencia sepuede apreciar en la Imagen 7.5.



Imagen 7.3: Imagen del Banco de Practicas en Modo Manual

Imagen 7.4: Imagen del Banco de Practicas en Modo Automatico



Imagen 7.5: Imagen del Banco de Practicas en situacion de Emergencia

7.3.2. Imagenes de Practicas

No menos importantes son las imagenes dedicadas a las practicas, puesto que son lasque mayor uso tendran. Estas imagenes se basaran en el esquema general que se ha creado en elapartado anterior, puesto que el control basico de la maqueta es similar en todos los casos. Sinembargo, para cada practica se anadiran elementos especializados para poder llevarlas a cabo.

7.3.2.1. Maquinas Hidraulicas

La practica de la asignatura del Master en Ingenierıa Industrial de Maquinas Hidrauli-cas se basa en obtener las curvas caracterısticas de las bombas, mostradas en el apartado 4.1.5.La realizacion de la practica se hara cambiando las condiciones de operacion de las bombas ysu configuracion con las valvulas asociadas.

La seccion mas importante sera la de impulsion, por lo que se modificara levementela imagen general del banco para que la actividad se centre en esta zona. A pesar de que semantendra la estructura general de la imagen del banco, se eliminaran las representaciones delos sensores de la seccion de medida para liberar espacio. De esta manera se consigue espaciolibre que se ocupara con los elementos especializados para la practica.

Puesto que el fin ultimo es la obtencion de las curvas, sera esencial almacenar los va-lores y mostrarlos en una tabla, en la que se van actualizando los valores tomados. Esta tablapresenta los valores de altura manometrica (Hm) de la bomba, la cual se calculara gracias a losmedidores de presion diferencial asociados a cada bomba, que permiten saber la presion apor-tada por cada bomba; el caudal que llegan a las bombas, medido por el caudalımetro masico; laPotencia Hidraulica (Ph), calculada en el programa; y el rendimiento (η), igualmente calculada.Mediante esta tabla se podra tambien seleccionar un rango deseado de valores y exportarlos al



PC como un archivo ’.csv’, que podra abrirse con cualquier software de tratamiento de datos,como Microsoft Office Excel, para construir las curvas.

Para una representacion grafica de estos valores y que los alumnos posean una leveidea sobre la forma de las curvas, se anade tambien una grafica en la que el caudal se disponeen el eje de las abscisas y el resto de valores de la tabla se colocaran en el eje vertical. Estasgraficas sera necesario configurarlas, conectandolo con los datos que representara, las escala derepresentacion, etc. Por ultimo, se incluye un boton que permite la adquisicion de datos en elmomento que se pulse.

Ambas bombas dispondran de estos elementos, puesto que el comportamiento de am-bas puede diferir. Las imagenes para esta practica se muestran en las Imagenes 7.6 y 7.7, enmodo manual y modo automatico respectivamente.

Imagen 7.6: Imagen de la practica de Maquinas Hidraulicas en Modo Manual



Imagen 7.7: Imagen de la practica de Maquinas Hidraulicas en Modo Automatico

7.3.2.2. Mecanica de Fluidos II

Esta practica contiene diferentes partes, empleando diferentes elementos presentes enla maqueta. Sin embargo, la mayorıa de estos se encuentran en la seccion de medida, quedandounicamente el caudalımetro masico y la celula de carga fuera de esta. Por lo tanto, la parteprincipal de esta practica seran los diferentes sensores, para distinguir las tecnologıas y observarcomo se comporta cada una en los diferentes escenarios.

Debido a que existe un gran numero de sensores y no se dispone de espacio suficientepara colocar una tabla para cada uno, y puesto que solo se estara trabajando con un sensor almismo tiempo, se ha optado por crear imagenes auxiliares que contengan las tablas de cadasensor y los botones para adquirir los datos de estos, de la misma manera que se obtenıan losvalores para las bombas en las practica de Maquinas Hidraulicas. Desde estas tablas se puedenexportar los valores a un archivo ’.csv’ para el posterior procesado. Para acceder a estas imagenesauxiliares se han creado botones en la imagen principal proximos al sensor que monitorizan. Elresto de la imagen permanece similar a la representacion basica del banco. La imagen, tanto enmodo manual como en modo automatico, de esta practica se muestra en las Imagenes 7.8 y 7.9respectivamente.



Imagen 7.8: Imagen de la practica de Mecanica de Fluidos II en Modo Manual

Imagen 7.9: Imagen de la practica de Mecanica de Fluidos II en Modo Automatico

7.3.3. Manejo de Datos

Una de las partes importantes de cualquier SCADA es la toma y almacenamiento dedatos, como su propio nombre indica. En una planta industrial, es indispensable un buen controlsobre los valores que toman las variables de proceso. Esto previene la creacion de situacionesproblematicas, indica de fallos en la instalacion y permite una gran trazabilidad de los erroresque se producen en la planta.



En el caso de la maqueta, la toma de datos y su almacenamiento es una parte funda-mental para las practicas, pues es necesaria la posibilidad de extraer todo los datos que generenlos sensores para el posterior uso de los alumnos y que puedan elaborar las memorias de cadapractica.

El control y manejo de los datos recogidos por la instalacion se realizara mediante elpaquete de WinCC denominado Tag Logging, cuya interfaz se muestra en la Imagen 7.10.

Imagen 7.10: Interfaz del programa Tag Logging

Para el almacenamiento de datos se crearan carpetas para cada sensor que se localizaen la maqueta. Dentro de estas carpetas se guardaran los valores necesarios, es decir, las lecturasde cada uno de los sensores y los valores calculados en el caso de las bombas. Aquı es dondese configurara el modo de obtencion de los datos. Como se ha comentado, estos valores seobtendran de manera acıclica cuando se pulse el boton correspondiente.


8. Puesta en marcha

Durante toda la creacion de la programacion y de las imagenes, se han ido realizando pruebasmediante la herramienta PLCSim para comprobar el correcto funcionamiento de los programascreados y de la interfaz, ası como comprobar el comportamiento de ciertos elementos de lasimagenes del SCADA y poder realizar esquemas CFC que se adaptasen a estos. Ademas, deesta manera se pudo empezar con el aprendizaje del entorno SIMATIC PCS7 a pesar de que elacceso a la maqueta estuviera cerrado por las obras en el laboratorio durante el comienzo delcurso.

Estas pruebas han facilitado en gran medida el desarrollo del control de la maquetay han asegurado el correcto funcionamiento de la logica. Sin embargo, no se pudo comprobarel funcionamiento de ninguno de los elementos fısicos de la maqueta. Por lo tanto, hizo faltahacer una adaptacion para conectarse al PLC fısico en vez de al PLCSim. Ademas hizo faltacomprobar que los sensores y actuadores respondıan correctamente.

En primer lugar se hizo un ensayo con las valvulas. Estos elementos resultaban losmas sencillos de configurar, por lo que su control fue directo y sencillo. Mas tarde se comprobola conexion con la valvula de mariposa y su funcionamiento, para la cual fue necesario el uso delpaquete SIMATIC PDM para comprobar la calibracion y la comunicacion. Una vez se hubieroncomprobado estos elementos, se pudo avanzar a la prueba de las bombas.

Para probar las bombas se procedio en pequenos pasos que aseguraban distintas partesdel control. Primeramente se comprobo el funcionamiento en local. Desde los variadores defrecuencia se establecieron las condiciones de operacion y se verifico que circulaba caudal porel circuito de la maqueta. Al realizar estas pruebas surgieron pequenas fugas en los racores queconectaban las tomas de presion de los sensores, pero se resolvieron sin ninguna complicacion.La finalidad de este ensayo era comprobar la configuracion de los variadores y estar cerca de lamaqueta para poder cortar la alimentacion de las bombas en caso de que surgiera alguna fugamayor o problema con las bombas. Asegurado el funcionamiento de las bombas, se puso enmarcha el control desde la OS. Esta prueba fue exitosa sin ningun problema, pudiendo controlarfinalmente las bombas desde el PC.

Los sensores se fueron probando poco a poco, algunos resultando sencillos de configu-rar, y otros que ofrecieron mas complicaciones que las inicialmente previstas. En el momento deredaccion de este proyecto, algunos caudalımetros, como el masico y el ultrasonico, no respon-den correctamente y producen medidas erroneas. Sin embargo, el resto de elementos funcionancorrectamente.

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La parada de emergencia se ha comprobado simulando un nivel demasiado bajo en eldeposito de reposo. Tras ajustar pequenas conexiones en los CFC de las valvulas, el comporta-miento del sistema ante esta situacion es la correcta, como se estipulo en el apartado 6.2.4.1.

Verificada la componente fısica de la maqueta y la logica de esta, se comprobo lasencillez del manejo de la OS. Presentada a varios componentes de la UDMF, profesores, ca-tedraticos y al laboral tecnico, esta resulto intuitiva y clara a la hora de manejarla.


9. Resultados

Los resultados producidos por este proyecto se pueden medir de diferentes maneras, puesto queha afectado a varias partes y de distintas maneras, tanto de manera academica y profesionalcomo hacia el ambiente exterior de la UDMF y Siemens.

9.1. Consecucion de los objetivos

Como se establecio en el apartado 3.3.4, se marcaron unos objetivos iniciales a la horade comenzar el proyecto. Esto permitio trabajar en una direccion estando claro en todo momentolas intenciones y necesidades a cubrir.

La mayorıa de estos objetivos han sido cubiertos y se han completado en el tiempo da-do. La maqueta se encuentra operativa practicamente en su totalidad. El control mediante el PCesta totalmente integrado en el sistema, y no es necesario ninguna intervencion del usuario direc-tamente con el banco para observar ningun valor de medida ni cambiar ninguna configuracion.Para esto ha sido necesario cubrir todos los objetivos planteados, estableciendo un programa quepermitiese el control y una interfaz grafica en la que actuar sobre los diferentes elementos delsistema. Sin embargo, dos cuestiones por resolver para la completa finalizacion del banco y quese pueda implementar totalmente para realizar las practicas descritas en este proyecto.

En primer lugar, y como ya se ha comentado, algunos sensores no realizan medidasadecuadas o no han llegado a ser configurados por la complejidad que conllevan. Actualmentese esta trabajando para las lecturas del caudalımetro masico que permitirıa la realizacion totalde las practicas de Maquinas Hidraulicas. Por otro lado, el sensor ultrasonico esta a falta decomprobacion, por lo que todavıa no se pueden comparar todas las tecnologıas de medida decaudal disponibles.

La segunda cuestion tiene que ver con la construccion fısica y la distribucion de loselementos en la maqueta. Tal y como se encuentra ahora mismo, no se pueden realizar medidassobre las perdidas de carga en un tramo recto de tuberıa, un codo o una entrada o salida. Sinembargo, este problema supone un cambio mas grande en la maqueta mas alla que la configura-cion de algun elemento. Es necesario una ampliacion del banco o la adicion de nuevas tomas depresion y nuevos medidores de presion, tarea que se encuentra fuera de este proyecto.

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9.2. Impacto Institucional

Este proyecto se concibio tambien como una relacion entre Siemens y la UDMF, lacual comenzo en el momento que se ideo este banco. Esta vinculacion no ha hecho mas que for-talecerse, con empleados de Siemens visitando la maqueta en los casos necesarios y profesoresde la UDMF atendiendo cursos de formacion impartidos por Siemens.

De esta manera, se fomenta la visibilidad de la industria y, en especial, de la Industria4.0 en la ETSII, mejorando ası la formacion de los alumnos y creando ingenieros mas preparadospara el mundo laboral.

9.3. Impacto Ambiental

Uno de los factores mas importantes a la hora de realizar cualquier proyecto es elposible impacto que pueda generar sobre su entorno y el medio ambiente.

Debido a que este proyecto se ha llevado a cabo mayoritariamente en un ambientedigital y no ha sido necesaria la construccion fısica de ningun elemento, el impacto ambien-tal es mınimo. Puesto que la maqueta opera con agua como fluido, y las tuberıas no contienenningun elemento contaminante, en el caso de tener que vaciar la maqueta el agua puede echarseal desague pasando al sistema de aguas residuales de la escuela. Sin embargo, durante la rea-lizacion de este proyecto no ha sido necesario vaciar el agua de la maqueta, por lo que ninguntipo de residuo ha salido del banco.


10. Conclusiones

Finalizado el proyecto, se puede concluir que este banco no solo constituye una nueva maque-ta para realizar practicas en la UDMF. Este banco implica la aplicacion de la Industria 4.0 alproceso formativo de los alumnos en la mejor escuela de ingenierıa industrial de Espana, algoque no podıa faltar para seguir distinguiendose. Se crea ademas una maqueta que muestra grannumero de fundamentos de Mecanica de Fluidos ası como de automatizacion, por lo que ofreceun amplio abanico de posibilidades academicas. Como se ha mostrado antes, la maqueta pre-senta aun ası ciertas limitaciones para poder cubrir todas las practicas de Mecanica de FluidosII al no poder medir las perdidas de carga en los todos los casos, pero se sigue disponiendo delos bancos de practicas especializados en esas actividades.

Gracias a la beca que ha acompanado al proyecto, este ha presentado tambien unadimension profesional por parte del alumno que ha hecho que se rompan las barreras y losmiedos de ese salto al mundo laboral. Se ha aprendido el funcionamiento de una gran empresacomo Siemens, lıder en el sector industrial, ası como una gran experiencia a la hora de afrontarel dıa a dıa en un mundo tan competitivo.

En un nivel mas personal, el aprendizaje realizado durante todo este proyecto es de unvalor incalculable. Se han aprendido conceptos nuevos de Mecanica de Fluidos, ası como no-ciones basicas acerca de materiales y fabricacion durante el trabajo en la UDMF. Por supuesto,el conocimiento adquirido durante la beca en Siemens acerca de la programacion tanto en TIAPortal por asistencia a cursos como en SIMATIC PCS7 por la realizacion de la maqueta abre alalumno un gran mundo de posibilidades y permite obtener una idea mas clara sobre la automa-tizacion industrial. Se finaliza este proyecto con un ’buen sabor de boca’, tanto desde el puntode vista personal como el profesional, con un banco que esperemos que sirva durante muchosanos como un elemento mas en la realizacion de las practicas de la UDMF y una experiencia yKnow-How que se aplicara en el futuro y que servira para abrir aun mas puertas.

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11. Futuro del Banco

A pesar de que se ha acabado este proyecto con una maqueta funcional, la cual se puede manejartotalmente desde la OS y ejecuta las acciones que se idearon en un principio, tambien se hacomentado que existen todavıa complicaciones a resolver y futuros objetivos que se puedenllevar a cabo en esta instalacion. Estos futuros proyectos pueden englobarse en las diferentessecciones:

Resolucion de problemas

Ampliacion

Industria 4.0

Formacion Academica

11.1. Resolucion de Problemas

La maqueta, si bien es funcional, presenta irregularidades en la conexion y en la co-municacion del caudalımetro masico y ultrasonico, como se ha comentado. Para la completarealizacion de las practicas y conseguir un banco que pueda emplearse sin restricciones es nece-sario averiguar las causas de estos fallos y resolverlos.

Ahora mismo se esta trabajando en este apartado, pues es lo mas importante de cara adejar el banco preparado para las siguientes etapas.

11.2. Ampliacion

Debido a la configuracion fısica del banco, no todos los tipos de carga pueden sermedidos, limitando ası la realizacion de las practica de Mecanica de Fluidos II. Ademas, estamaqueta ofrece una gran posibilidad a la hora de crear nuevos proyectos, pues aporta una ba-se de automatizacion e infraestructura muy util que puede ampliarse hasta los lımites de unainstalacion industrial.

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Sin embargo, esta ampliacion es un proceso mas laborioso y requiere de una planifica-cion previa, puesto que implica un trabajo manual en el banco y el dimensionamiento y seleccionde los componentes adecuados.

11.3. Industria 4.0

Una de las bases en la creacion de este banco es la aplicacion y el acercamiento de lanueva revolucion industrial, la Industria 4.0, a la ETSII y al alumno y profesorado. Una mayorprofundizacion en las raıces de esta nueva evolucion implicarıa varios elementos.

En primer lugar, la creacion de un gemelo virtual que presente un comportamientosimilar al banco fısico construido y desde el que se puedan ensayar los nuevos proyectos, practi-cas o ensayos que se quieran realizar. Esta simulacion se podrıa realizar con PLCSim comosimulador de la AS y SIMIT, un software de Siemens que permite la simulacion de comple-jos elementos industriales y puede enlazarse con multiples programas CAD en los que crear laimagen del modelo virtual.

En segundo lugar, una conexion del banco a la red para que se pueda manejar desdecualquier PC, creando ası al estructura de OS Servidor y OS Cliente. Esto ha de hacerse conprecaucion, pues significa una posible entrada al sistema de gente no deseada y por lo tanto unamayor vulnerabilidad y riesgo.

11.4. Formacion Academica

Debido al trabajo que ha conllevado la programacion y creacion de la OS, podrıacrearse una guıa paso a paso para formar al personal de la UDMF que usara esta maqueta ypoder resolver los problemas que vayan surgiendo durante la operacion. Ademas, de esta manerase facilitan las ampliaciones que simplemente requieran acciones de software.

Mas alla de la UDMF, un equipo de este calibre en la ETSII presenta multiples fun-cionalidades para distintos proyectos, pudiendo emplear los PLCs y su programacion para unaformacion mas completa en el ambito de la automatizacion industrial.


12. Planificacion temporal y Costes

12.1. Estructura temporal

A continuacion se muestra el proceso de desarrollo del proyecto y las tareas llevadas acabo y el tiempo requerido para la finalizacion de estas. Las herramientas empleadas para mos-trar esta informacion seran la EDP (Estructura de Descomposicion del Proyecto) y el diagramade Gantt.

12.1.1. EDP

En este apartado se exponen las diferentes etapas y actividades que se han tenido quecompletar para finalizar la realizacion del proyecto. La EDP se muestra en la Imagen 12.1. Sepuede observar que la redaccion de esta memoria se basa en esta descomposicion, presentandouna estructura similar. Estas divisiones que se han realizado con la intencion de que presentencargas de trabajo ligeras que puedan ser abordables por un unico individuo en una cantidad detiempo moderada.

La relacion entre los distintos bloques no presenta un orden preferencial si estos seencuentran en la misma seccion. Sin embargo, si que es necesario que algunas tareas se realicenpreviamente para que se pueda seguir evolucionando el banco.

12.1.2. Diagrama de Gantt

El diagrama de Gantt muestra la duracion, ası como las fechas de inicio y finalizacionde las diferentes etapas que se han mostrado en la EDP. Como se puede observar en la Imagen12.2, numerosas acciones son independientes del resto, por lo que en varias ocasiones se realizandiferentes acciones en paralelo.

Ademas, algunas tareas han requerido ayuda externa, como la configuracion de losvariadores, por lo que mientras se buscaba tal ayuda, se han ido desarrollando otras actividades.No obstante, existen ciertas labores que dependen de la finalizacion de otras, como el final dela creacion de la imagen para la practica de Maquinas Hidraulicas y el inicio de la imagen paraMecanica de Fluidos II.

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Imagen 12.1: EDP del Proyecto


Planificacion temporal y Costes

Imagen 12.2: Diagrama de Gantt



Se presentan aun ası cierta fechas determinantes en el proyecto, tales como el inicioy la finalizacion del mismo, la primera circulacion de caudal confirmando el correcto funciona-miento de la programacion y la entrega de la memoria.

Fechas DeterminantesFecha de comienzo del proyecto 31 de julio de 2017Fecha de finalizacion del proyecto 22 de junio de 2018Primera circulacion de caudal 13 de marzo de 2018Entrega del documento 22 de junio de 2018

12.2. Costes

El analisis de los costes de este proyecto cuenta con dos vertientes. Por un lado, seconsidera el coste de la realizacion de las actividades que se describen en esta memoria. Porotro, se considera el coste de la maqueta y los diferentes materiales que la componen.

Para el calculo del primer apartado se han tenido en cuenta los porcentajes de dedica-cion del personal involucrado; el coste del trabajo del alumno, el cual se ha asimilado al costede la beca asociada en Siemens; y los cursos de formacion complementarios al proyecto. Estoscostes se muestran en la Tabla 12.1.

Unidades Descripcion Cantidad CosteUnitario

(C/h)

CosteTotal (C)

h Tutor academico 35 20 700h Tutor Siemens 35 20 700h Laboral UDMF 35 12 420h Alumno 540 6 3240h Curso formacion TIA

Portal30 30 900

Total 5960C

Cuadro 12.1: Costes humanos del proyecto

En cuanto a la segunda seccion, tan solo se tendra en cuenta el coste de los elementosfısicos del banco, puesto que este ya se encontraba montado y todos los componentes compradosen el inicio de este trabajo. Solamente han sido empleados para el desarrollo de este proyecto,pues la programacion afectaba a estos. De la misma manera, se obvian las amortizaciones delas herramientas empleadas, que pertenecen a la UDMF y ya han sido amortizadas, y de loscomponentes de la maqueta, ya que su utilizacion sera exclusivamente academica. Los costes decada uno de los componentes se encuentran referenciados en la Tabla 12.2.



Componente Referencia Unidades CosteUnitario

(C/h)

CosteTotal(C)

PC de ControlA medida

1Compresor 8 bar 1 120 120

Depositos 2 415 830Valvulas

neumaticas2000Y-J614F-16P/R 10 63.2 632

Valvula Mariposa 6DR5510-0NG00-0BA1 1 62 62Bomba Centrıfuga CM10 - 2 A 96806945 2 425.5 851

Materiales deConstruccion

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Estacion de IngenierıaSIMATIC PCS7

License6ES7650-0XX08-0YS5 1 3353 3353

SIMATIC PCS7BCE v8.1

6ES7650-1CD18-2YB5 1 814 814

SIMATIC PDMv8.2

6ES7658-3LD28-0YA5 1 1501 1501

SIMATIC PCS7v8.0 AS

6ES7654-5CA00-7AF0 1 4857 4857

DRIVE ES PCS7APL v8.1

6SW1700-8JD01-1AA0 1 1200 1200

ET200-SPCM PtP 6ES7137-6AA00-0BA0 1 12 12

Tipo BU A0 6ES7193-6BP00-0BA0 3 7 21DQ

16x24VDC/0.5AST

6ES7132-6BH00-0BA0 1 47 47

Tipo BU A0 6ES7193-6BP00-0DA0 1 12 12AI 4x1 2/4 hilos

ST6ES7134-6GD00-0BA1 1 160 160

AI 4x1 2 hilos4-20mA HART

6ES7134-6TD00-0CA1 1 420 420

IM 155-6 PN ST 6ES7155-6AU00-0BN0 1 282 282Adaptador de bus

2xRJ456ES7193-6AR00-0AA0 1 64 64

SCALANCE X-200SCALANCEX200-4P IRT

6GK5200-4AH00-2BA3 1 1272 1272

Fuente de alimentacionSITOP PSU100S 6EP1334-2BA20 1 144 144

DP/PA LinkAFD de 8 6ES7157-0AG82-0XA0 1 458 458

Acoplador ProfibusDP/PA

6ES7157-0AC83-0XA0 1 439 439

Fuente dealimentacion

6ES7307-1BA01-0AA0 1 53 53




(C/h)

CosteTotal(C)

Cableado20m. Cable

Profinet6XV1840-2AH10 20 0.8 16

10 cabezalesProfinet

6GK1901-1BB10-2AB0 10 6.8 68

Profibus DPSTANDARD

CABLE BUS 20m.

6XV1830-0EN20 1 14 14

Conector hembra 6ES7972-0BB52-0XA0 2 63.5 12720m. Profibus PA

Negro6XV1830-5EH10 20 2.65 53

20m. Profibus PAAzul

6XV1830-5FH10 20 1.35 27

CaudalımetrosCoriolis 7ME4611-3NA01-1DA1-

ZA02+B11+E14+F00+L51

1 3475 3475

Electromagnetico 7ME6520-2RF13-2HF1 1 782 782Vortex 7ME2600-2KD11-1AA1-

ZY40+Y41+Y42+Y45

1 1511 1511

Ultrasonico 7ME3570-1HB30-0CB0 1 1611 1611Transmisores de Presion

250mbar 7MF4434-1HA22-1AB6-Z+A01+A40+B13

1 461 461

5bar 7MF4434-1GA22-1AB6-Z+A01+A40+B13

2 461 922

30bar 7MF4434-1DA22-1AB6-Z+A01+A40+B13+U02

1 529 529

Celula de PesajeCelula 7MH5103-3GD00 1 160 160

WP 321 7MH4138-6AA00-0BA0 1 470 470Conector 6ES7193-6BP00-0DA0 1 23 23

Transmisor de NivelLC300 7ML5670-0AA00-0AB0-

Z Y01 Length305mm

1 516 516

Posicionador NeumaticoSIPART PS2 6DR5510-0NG00-0BA1 1 485 485Accesorios 6DR4004-8D 1 26 26Accesorios TGX:16152-105 1 12 12




(C/h)

CosteTotal(C)

Variadores de Frecuencia SINAMICS G120CU230P-2 PN 6SL3243-0BB30-1FA0 2 410 820

PM240-2 6SL3210-1PB17-4UL0 2 405 810IOP Panel de

Mando6SL3255-0AA00-4JA1 2 237 474

Kit conexiones 6SL3255-0AA00-2CA0 2 55.5 111Total 35162C

Cuadro 12.2: Costes del material del proyecto

El coste total del proyecto y de los materiales empleados asciende a 41122C, un valorelevado para un Trabajo de Fin de Grado, pero reducido si esta misma instalacion fuese realizadapor una empresa de ingenierıa, la cual conllevarıa un mayor coste humano, doblando facilmenteel coste de este proyecto.


Bibliografıa

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automatizacion de banco de pr´ acticas como´ modulo de

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